(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の運動を追跡する装置であって、上記装置は、
少なくとも２組の送信機及び受信機のペアを構成する複数のトランスデューサと、
１組の送信機及び受信機のペアのうちの送信機から送信され、上記物体によって反射され、上記送信機及び受信機のペアのうちの受信機まで伝搬する信号の伝搬時間を測定する手段と、
（ｉ）上記送信機及び受信機の各ペアについてインパルス応答を計算し、（ｉｉ）上記物体及び他の反射物にそれぞれ対応する２つの別個のピーク又は信号先頭部を含むインパルス応答を有する、上記送信機及び受信機の各ペアのうちの部分集合のペアを決定し、（ｉｉｉ）上記送信機及び受信機の各ペアのうちの部分集合のペアによる伝搬時間の測定値を用いて上記物体の運動を追跡する処理手段とを備えた装置。
【請求項２】
予め決められた組数の送信機及び受信機のペアが追跡対象の上記物体のクリアな視界を有することをユーザにフィードバックする手段を備えた請求項１記載の装置。
【請求項３】
上記物体の運動を追跡可能な予め決められたゾーンは、ディスプレイ画面の領域の少なくとも一部を含む請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
上記装置は、周縁部の周りに配置された少なくとも４つのトランスデューサを有する制御面を備え、
上記トランスデューサは、少なくとも１つの送信機と少なくとも１つの受信機とを備え、これにより少なくとも３組の送信機及び受信機のペアを定義し、
上記トランスデューサは、各ペアの送信機及び受信機の間の離隔距離が、上記制御面の最短の辺の長さの少なくとも４分の１になるように配置された請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の装置。
【請求項５】
上記トランスデューサのすべてが上記制御面の同じ辺に沿って設けられることはなく、
同じタイプの少なくとも２つのトランスデューサは、同じ辺に設けられるとき、上記制御面の最短の辺の長さの少なくとも１０％に等しい長さだけ離隔される請求項４記載の装置。
【請求項６】
上記装置は、制御面と複数組の送信機及び受信機のペアとを備え、上記複数組の送信機及び受信機のペアは、各ペアのうちの送信機が当該ペアの受信機に対して上記面をはさんで設けられるように配置された請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の装置。
【請求項７】
少なくとも１つの超音波送信機及び少なくとも１つの超音波受信機を備え、超音波を用いて上記物体の運動を追跡するように構成された請求項１〜６のうちのいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
物体の運動を追跡する方法であって、上記方法は、
少なくとも２組の送信機及び受信機のペアを構成する複数のトランスデューサを用いることと、
１組の送信機及び受信機のペアのうちの送信機から送信され、上記物体によって反射され、上記送信機及び受信機のペアのうちの受信機まで伝搬する信号の伝搬時間を測定することと、
上記送信機及び受信機の各ペアについてインパルス応答を計算することと、
上記物体及び他の反射物にそれぞれ対応する２つの別個のピーク又は信号先頭部を含むインパルス応答を有する、上記送信機及び受信機の各ペアのうちの部分集合のペアを決定することと、
上記送信機及び受信機の各ペアのうちの部分集合のペアによる伝搬時間の測定値を用いて上記物体の運動を追跡することとを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の位置を決定する装置及び方法に関し、特に、物体から反射された音響波を用いるものに関するが、それに限定されるものではない。
【背景技術】
【０００２】
画面に接触又は近接するスタイラス又は指先の動きを計算機の制御に用いる、接触又は接近に基づくコンピュータディスプレイ画面が公知である。典型的には、画面表面に接触するスタイラス又は指の位置を検出するために、さまざななタイプの圧力センサ、静電センサ、又は光センサが使用される。
【０００３】
非特許文献１は、指の追跡について言及しているが、ディスプレイ表面のための超音波スタイラス位置検出及びカーソル制御システムについても提案している。ユーザが能動電子素子を装着又は保持することが必要なシステムも提案されている。しかしながら、このようにユーザが物体を装着又は保持することを要求するシステムはいずれも、必然的に、いくぶん面倒で不便になる。
【０００４】
ディスプレイ表面上の音響インパルス又は音響波を使用し、ポインティングデバイスに音を当てて送信機から受信機への音の伝搬時間を測定することにより、簡単な受動のスタイラス又は指先の位置を決定する装置も提案されている。このようなシステムは、画面に接触しているポインティングデバイスを検出するように構成可能であるが（タッチスクリーンモード）、画面表面に接触することなく近接しているポインタを検出するように使用してもよい（近接モード）。
【０００５】
ディスプレイ画面に直に隣接している入力を追跡するのではない、他の指入力追跡システムが開示されている。例えば、ゲートウェイ，インコーポレイテッド（Gateway, Inc.）に譲渡された特許文献１では、キーボードのそばの領域における指の動きを用いてその領域から遠隔した画面上のカーソルを制御することができる指入力制御システムが開示されている。セブン・オークス・コーポレーション（Seven Oaks Corporation）に譲渡された特許文献２では、指が移動できるフィールドと画面との間のマッピングが１対１のスケールになっていないといえる他の指入力システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，３１３，８２５号明細書。
【特許文献２】米国特許第５，０５９，９５９号明細書。
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】"Ultrasonic Cursor Position Detection", IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 27, No. 11, April 1985。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、本願出願人が認識しているところによれば、エコーに基づく指先追跡システムは、特に追跡ゾーンが手のサイズよりも大きい場合に、スタイラス又は他の付属物を必要とするシステムよりもずっと便利である（指先は比較的細かい制御を行うことができる）ものの、大きな欠点がある。それは、これらのシステムが、ユーザの手の他の部分が指先と間違えられ、結果的として制御下の装置への誤った入力をもたらしがちであるということに起因して不正確になる傾向があるということである。
【０００９】
さらに、本願出願人が理解しているところによれば、追跡ゾーンのサイズが増大するとこの問題も大きく増大する。例えば、典型的な手よりも大きな追跡ゾーンでは、このことが強く関連している。
【００１０】
本発明の目的は、少なくともいくつかの態様において、この問題に対処することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、第１の態様によれば、予め決められたゾーン内におけるユーザの手の目標部分の位置を決定する装置を提供する。上記装置は、位置決定信号を送信及び／又は受信する複数のトランスデューサを備え、上記複数のトランスデューサは、上記予め決められたゾーン内における上記手の目標部分の任意の位置に関して、少なくとも２組の送信トランスデューサ及び受信トランスデューサのペアであって、上記ペアのうちの送信機から上記ユーザの手の目標部分を経由して上記ペアのうちの受信機に至る上記位置決定信号の合計伝搬時間が所定の点集合に往復する等価な合計伝搬時間より短くなるようなペアが存在するように配置される。上記点集合は、上記手の目標部分から所定の最小間隔よりも離れているが、上記装置の最近接点から、例えば画面又は他の面から、上記手の目標部分の位置までの距離と少なくとも同じ距離だけ上記装置の最近接点から離れている、上記予め決められたゾーン内におけるすべての点を含む。
【００１２】
本願出願人がまず理解するところ、従来技術に係る指先の位置決定／追跡システムでは、送信機及び受信機のレイアウトによっては、一部の送信機／受信機のペアの場合に、実際に指先が装置、例えば画面又は他の面に関して最も装置側にある手の部分であったとしても、指先以外の手の部分が最も近接した場所又はオーバーラップした場所として検出されるような状況を生じさせることがある。このことは、図１〜図３に示す例によって説明される。
【００１３】
図１は、前述の問題点を呈する指入力追跡システムの正面投影図を示す。この装置は、グラフィカルユーザインターフェースを表示するための、フレームＢの境界によって包囲された矩形フラットパネルＬＣＤ画面を有する。フレームには、超音波送信機Ｃと、フレームＢの各コーナーに１つずつある４つの超音波受信機Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇとが設けられる。
【００１４】
図２は、ユーザの手Ｈの位置決定を行うことによってユーザが図１のシステムを対話的に操作する場合を示す。このシステムは、チェックボックス、カーソル、又はポインタのようなユーザインターフェース要素をアクティブにしたり、選択したり、さもなければ制御したりするために、ユーザの伸ばした人差し指の先端Ｉを追跡するためのものである。ユーザの指先Ｉが画面Ａの垂直な中心線の上又は近くに位置しているとき、システムは、４つの受信機Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇのそれぞれに関して取得された超音波伝搬時間情報を用いて、指先Ｉの位置を決定することができる。送信機Ｃによって放射された超音波インパルスの一部は、破線で示すように、まっすぐに指先Ｉに伝搬する。次いでこれは指先で反射され、破線で示すように、エコーの一部が受信機Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇのそれぞれにおいて受信される。ここでは、左上の受信機Ｄ及び右上の受信機Ｅのみが「見えている」。送信機Ｃから指先Ｉを経由して各受信機に戻るインパルスの合計伝搬時間に関する情報と、空気中の音速の知識とを用いて、楕円の交点に基づく公知の方法により、空間における指先の位置を決定することができる。
【００１５】
図３も、ユーザが同じシステムを対話的に操作する場合を示す。ただし、この例では、ユーザの指先が画面Ａの左側にさらに寄っていることに起因して、システムが指先の正しい位置を決定することができない。その理由は、左上の受信機Ｄ及び左下の受信機Ｆ（図３には示さず）に関して、送信機から受信機への伝搬時間によれば指先は送信機及び受信機に最も近接した反射物であるが、このことは右上の受信機Ｅ及び右下の受信機Ｇ（図３には示さず）に関してはもはや成り立たず、合計伝搬時間によれば、ユーザの人差し指の指先Ｉよりもユーザの小指の付け根の関節Ｊの方がこれら２つの受信機に近接しているからである。従って、受信される最初のエコーは、人差し指の指先Ｉからのものではなく、小指の付け根の関節Ｊからのものである。しかしながら、システムは、右側の受信機が指先Ｉからのエコーを正しく受信していないということを決定することができず、従って、不正確な位置決定をもたらすか、又は、４つの受信機Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇのタイミングを一致させることができず、このため、エラーを返す。
【００１６】
しかしながら、本発明によれば、複数のトランスデューサの配置によって、これらのトランスデューサがその全体として、トランスデューサのうちの１つ又は１組のトランスデューサのペアにもっと近接しているかもしれない（最も近接した部分から最小間隔だけ離れている）手の他の任意の部分から、手の実際に最も近接した部分を区別できるようになる。このような配置によって、指先がアクティブ領域内のどこにあるときであっても、目標の指先と他の任意の物体とを区別できるように、指先まで妨げのない「見通し線」を有する少なくとも２組の送信機／受信機のペアが存在することになる。これにより、これら２組のペアからの伝搬時間情報を、指先の位置決定を少なくとも２次元で行うために使用できるようになる。当然ながら、前述の基準を満たすもっと多数の組のペアが存在するように、さらに多数のトランスデューサを用いることができる。これによれば、例えば３次元の位置決定を行うことができる。本明細書の文脈で用いるときの用語「見通し線」は、例えば自動ロボット監視又はビデオ追跡システムにおいて「妨害問題」として理解されるものとは異なっているということが以下の説明により明らかになるであろう。本明細書で説明する「見通し線」問題は、角度分解能が低いか又はまったく持たない距離測定システムに特有かつ固有である。一方、カメラは優れた角度分解能を有する。距離に基づく人の指の追跡の文脈において生じる「見通し線」問題は、むしろ、もっと古くからある一般的な「見通し線」問題に加えて、使用するセンサのタイプにかかわらず生じる。
【００１７】
本発明は、他の態様によれば、予め決められたゾーン内におけるユーザの手の目標部分の位置を決定する装置を提供する。上記装置は、位置決定信号を送信及び／又は受信する複数のトランスデューサを備え、上記複数のトランスデューサは、上記手の目標部分が上記ゾーンのエッジ部に最も近接した上記手の部分であるときはいつでも、少なくとも１組の送信機及び受信機のペアに関して、上記送信機から送信されて上記手の目標部分によって反射されて上記受信機によって受信される位置決定信号の最大伝搬時間が、上記手の目標部分から予め決められた距離だけ離れた上記手の部分によって反射された位置決定信号の最小伝搬時間よりも、少なくとも所定のしきい値時間だけ短くなるように配置される。
【００１８】
一部の好ましい実施形態、例えば測定を行うために単一のインパルス応答サンプルを用いる実施形態では、上記しきい値時間は、システムの帯域幅とシステムのサンプリング周波数との積の逆数に等しい。ここで、上記帯域幅は、出力及び入力信号において使用される利用可能なスペクトラムの比として定義される。例えば、０〜２４ｋＨｚの周波数応答を有する帯域通過フィルタが、０〜４８ｋＨｚの周波数応答を有する信号に適用される場合、帯域幅は０．５になる。全周波数が確保される場合、帯域幅は１として定義される。
【００１９】
目標物は、追跡のために十分に明確な部分を有する物体であって、所望の制御を行うために十分に細かく動かすことができる任意の物体であってよい。それは、例えば、スタイラス又は他の人工物を含むことができる。しかしながら、長所として、少なくとも好ましい実施形態では、このような人工物は必要とされず、単なる伸ばした指、例えば親指又は人差し指を追跡することができる。
【００２０】
指定される最小間隔の選択は、手又はポインティングに使用される他の物体の寸法に基づいて、また特に、追跡される部分、例えば指先と、従来技術の構成においてシステムを混乱させる可能性があった他の任意の物体の部分、例えば関節との間の距離に基づいて行われる。これは、おおざっぱに言うと、トランスデューサのレイアウトの（固有の位置決定の分解能と対比される）「形状の分解能」とみなすことができる。好ましくは、指定される最小間隔は２ｃｍ未満であり、好ましくは１ｃｍ未満である。好ましくは、これは１ｍｍより大きく、好ましくは５ｍｍより大きい。
【００２１】
２組のトランスデューサのペアは、別個の送信機及び受信機を両方含んでいてもよい。しかしながら、送信機及び受信機のいずれかを２組のペアの間で共用することもできる。ペアの数が増大すると、それらの間で送信機及び／又は受信機を共用する可能性も増大する。
【００２２】
送信機は、受信機と別個のものであってもよく、又は、エネルギーの放射及び受信をそれぞれ行うように構成された同じ物理的構成要素を備えていてもよい。
【００２３】
本システムは、光又は他の電磁信号及びトランスデューサを用いることができる。好ましい実施形態のセットにおいて、トランスデューサは音響トランスデューサであり、好ましくは超音波トランスデューサである。超音波信号は２０ｋＨｚよりも高い周波数を有し、好ましくは３０ｋＨｚより高い周波数を有する。一部の実施形態では、周波数は３５〜４５ｋＨｚの範囲にあってもよい。他の実施形態では、周波数は高ければ高いほどよい。従って、他の１組の実施形態では、周波数は５０Ｈｚよりも高く、又は、例えば１００〜２００ｋＨｚの間のように、１００ｋＨｚよりも高くてもよい。送信機は、連続信号又は離散インパルスを送信するように制御されることが可能である。信号は、単一の周波数を備えてもよく、又は複数の周波数を備えてもよい。
【００２４】
本装置は、伝搬時間を測定して計算するように適切にプログラミングされたプロセッサなどの手段を備えてもよい。それに代わって、データ出力を提供して（有線及び無線のいずれか）、他のプロセッサ、例えばＰＣ中のプロセッサにそのような計算を実行させてもよい。各組のペアに係る信号の伝搬時間に関する情報を決定するように動作するプロセッサ手段には、好ましくは、タイミング手段が接続される。
【００２５】
本願出願人が認識しているところによれば、本発明に従って送信機及び受信機を注意深く配置することにより、比較的少数の送信機及び受信機を用いたときであっても、指と手の間の曖昧さについての問題（又は同様の問題）を解消することができる。多数の送信機及び／又は受信機を設けることは、多くの消費者向け電子装置において重要なファクタである装置の価格を上昇させるので、上述のことは現在有益であると考えられる。特に、マイクロホンは比較的に安価であるかもしれないが、入力（受信機）チャネルの個数が大きく、従ってアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器の個数が大きい場合には、ＡＲＭプロセッサなどの標準的な低コストプロセッサでシステムを実装することは困難になる。このようなマルチチャネルシステムを実装することは、より高価なＦＰＧＡなどのソリューションを必要とする可能性がある。
【００２６】
しかしながら、本願出願人が認識しているところによれば、このことは、現在又は将来における一部の用途では重要性が低い可能性があり、従って少数のトランスデューサを用いることは本質的ではない。
【００２７】
本システムは、すべての受信機で受信されるすべてのエコーに関して伝搬時間情報を計算するように構成されてもよい。それに代わって、反射されて受信された信号のうちの一部のみについてこのような計算を実行するように構成されてもよい。このことは、特に、本装置がもっと多数の送信機及び受信機を有する場合に最も適切である可能性があるが、必須ではない。例えば、本システムは、予め決められたゾーンの部分集合を定義し、目標物が位置した部分ゾーンに関連付けられた受信機及び／又は送信機を処理するように構成されてもよい。本発明のすべての態様の好ましい実施形態では、装置又はシステムは、位置測定に用いるために１組以上の送信機及び受信機のペアを選択するように構成される。言い換えると、一部の実施形態において、本装置は、追跡に必要とされるものよりも多数の組の送信機及び受信機のペア、すなわちチャネルを備える。チャネルのうちの一部のみが、物体の追跡又は位置決定に使用される。これにより、最良の結果をもたらすもののみを用いることができる。
【００２８】
どの組の送信機及び受信機のペア／チャネルを用いるのかについての決定は、例えば、物体の近似的な位置についての知識、例えば以前に計算された位置と運動の速度及び方向とから導出されるか、又は実際には他の任意のアルゴリズムから導出される位置についての知識に基づくことができる。しかしながら、一部の好ましい実施形態では、各組のペア／チャネルについて結果が取得され、比較され、最良のものが選択される。１組の実施形態において、本装置は、あるチャネルがユーザの手の目標部分と手の残りの部分との間で予め決められた区別をもたらすか否かを決定するように構成される。一部の実施形態では、例えば、本装置は、各組の送信機及び受信機のペアからインパルス応答を計算し、どのインパルス応答が手の目標部分に対応するインパルス応答と手の残りの部分に対応するインパルス応答との間で最良の分離又はしきい値を満たす分離をもたらすかという基準に基づいて、どれを用いるのかを決定する。
【００２９】
本発明は、別の態様によれば、物体の運動を追跡する装置を提供する。上記装置は、送信機及び受信機をそれぞれ備え、複数のチャネルを間に定義する複数のトランスデューサと、上記チャネルのうちの部分集合を選択して上記運動を計算する処理手段とを備える。追跡は、上記送信機から送信され、上記物体によって反射され、上記受信機まで伝搬する信号の伝搬時間を測定することによって実行可能である。
【００３０】
前述のように、選択は任意の適切な方法で行うことができる。１組の実施形態において、本装置は、あるチャネルが上記物体と干渉する反射物との間に予め決められた区別をもたらすか否かを決定するように構成される。一部の好ましい実施形態では、本装置は、上記チャネルのうちの少なくとも一部のインパルス応答を計算するように構成され、上記選択は、上記物体に対応する所定のチャネルのインパルス応答の一部をそのチャネルのインパルス応答の残りの部分から区別可能な程度に基づいて行われる。当然ながら、複数の選択技術を混合させたものを用いることもできる。
【００３１】
本発明の前述の態様のうちの任意のものに係る１組の実施形態において、あるチャネルの送信機から物体を経由して当該チャネルの受信機に至る信号の合計伝搬時間が所定の点集合に往復する等価な合計伝搬時間より短い場合、当該チャネルが追跡のために選択される。上記点集合は、上記物体から所定の最小間隔よりも離れているが、装置の最近接点から、例えば画面又は他の面から、上記物体までの距離と少なくとも同じ距離だけ上記装置の最近接点から離れている、上記予め決められたゾーン内におけるすべての点を含む。
【００３２】
手の全体を粗く追跡するのではなく、手の目標部分を追跡するために複数のチャネルが選択的に使用される場合には、１組の好ましい実施形態では、本システムは、各チャネルの受信されたインパルス応答を調べることにより、どのチャネルが良好な指／手の分離を有するのかを認識する手段を備える。手の指と他の部分とにそれぞれ関連付け可能な２つのピーク又は信号先頭部が存在する場合、本システムは、このインパルス応答の特定のチャネルが「クリア」である、すなわち妨害されていないと判断することができる。
【００３３】
本発明は、他の態様によれば、物体の運動を追跡する装置を提供する。上記装置は、上記物体に信号を送信する送信機と、上記物体からの上記信号の反射を受信する受信機とを備え、上記送信機及び上記受信機はともにチャネルを定義する。上記装置はさらに、上記受信機からのインパルス応答を計算する手段と、上記物体と他の反射物とにそれぞれ対応する上記インパルス応答の２つの別個のピーク又は信号先頭部を識別し、上記識別が行われたとき、上記チャネルが上記物体が妨げられていない視界を有するということを示す手段とを備える。
【００３４】
１組の好ましい実施形態において、本装置は、本発明の第１の態様に係る手の目標部分の近接基準を満たす１組の送信機及び受信機のペアに、特定のチャネルが関連付けられているということを決定するように構成される。言い換えると、本装置は、与えられたチャネルがクリアである、すなわち、追跡されている手の目標部分と、手の残りの部分などの他の近接した反射物との間のＴＯＦオーバーラップによって妨害されていないということを決定する。このことは、例えば追跡のためにどのチャネルを選択するのかを決定する際に有用である。
【００３５】
追跡のためには少なくとも２つのクリアなチャネルが必要であり、より典型的には３つ必要である。一部の実施形態では、本装置は、予め決められた個数のチャネルが「クリア」であること、例えば、手の目標部分又は他の物体を手の残りの部分又は他の潜在的に妨害となる反射物から区別する予め決められた基準を満たしていること、又は手の目標部分の近接基準を満たしていることをユーザにフィードバックする手段を備える。このようなフィードバックは、例えばディスプレイ画面上のカーソル又はアイコンの形状又はサイズを変化させる、可視のものであってもよく、又は可聴のものであってもよい。システムが指の位置の検出又は追跡の準備ができていること、又は実行可能であることをユーザに知らせてもよい。予め決められた個数のチャネルが「クリア」ではない場合、本装置は、エラーを発生するか、単に動作しないか、又は他のモードに変化するように構成されてもよく、例えば、システムは、例えば手全体の粗い身振りの動きを追跡するなど、精度を下げて追跡するように構成されてもよい。
【００３６】
このような構成は、それ自体、新規性及び進歩性を有するものであるが、他の態様によれば、本発明は、ユーザの手の目標部分の位置を決定する装置を提供する。上記装置は、複数組の送信機及び受信機のペアと、上記目標部分までの距離を決定するための予め決められた基準を満たすのは上記複数組の送信機及び受信機のペアのうちのいずれであるのかを決定する手段と、上記基準を満たす送信機及び受信機のペアの組の個数に依存して、上記装置が上記目標部分を追跡できることを上記ユーザにフィードバックする手段とを備える。
【００３７】
前述したように、本願出願人が理解するところによれば、より多数の受信機を有する場合、指と手の間で混同が生じる問題を低下させる利点を有するが、特に必要となるアナログ／ディジタル変換に関してコストを上昇させることになる。
【００３８】
１組の実施形態において、本装置は、複数の受信機と、上記受信機のうちの２つ以上から信号を選択的に受信できるように構成された少なくとも１つのアナログ／ディジタル変換器とを備える。これにより、複数の受信機が１つ又は複数のアナログ／ディジタル変換器を共用し、上記変換器は必要なときに所定の受信機によって受信された信号を変換することに使用されるだけなので、本装置は、受信機よりも少ない個数のアナログ／ディジタル変換器を持つだけでよい。１つの実施例では、１組の受信機（例えば８個の受信機）のうちの１つからの出力は、利用可能なオンチップ又はオフチップのＡ／Ｄ入力チャネル（例えば合計で４個のチャネル）のうちの１つにスイッチング可能であるように接続される。
【００３９】
本発明は、他の態様によれば、物体の運動を追跡する装置を提供する。上記装置は、上記物体に信号を送信する少なくとも１つの送信機と、上記信号が上記物体から反射された後に上記信号を受信する複数の受信機とを備える。上記装置はさらに、上記受信機のうちの２つ以上から信号を選択的に受信できるように構成された少なくとも１つのアナログ／ディジタル変換器を備える。
【００４０】
複数のＡ／Ｄ変換器を共用することは、多数の方法で実施可能である。その１つは、決まったスケジュールに従って、複数のＡ／Ｄ入力に対して異なる受信機の出力をローテーションさせることである。８個の受信機と４個の変換器とがある前述の実施例の場合、４個のＡ／Ｄ変換器に最初に受信機１〜４が接続され、次いで受信機５〜８が接続されてもよく、又は、例えば最初に受信機１，２，３，４，に接続され、次いで受信機２，３，４，５に接続される、などのように、ルーティングは段階的に変更されてもよい。このことは、各受信機の時間的な更新レートを低下させる効果を有するが、手の目標部分をより多数の視点から観測することになる。
【００４１】
他のアプローチは、１つ又は複数のＡ／Ｄ入力への複数の受信機出力のルーティングを、適応的に、例えば、手の目標部分に係る以前の位置推定値に基づいて行うことである。例えば、指の位置が追跡ゾーンの左上のコーナーであると決定され、かつ上記ゾーンの中心に向かって運動していると決定されている場合、以前のステージの追跡で使用された受信機であって、左上のコーナーに良好な視界を有している可能性がある受信機、例えば受信機１，２，３は、例えば中心に最良の視界を有するマイクロホン２，３，７によって置き換えられなければならないであろうことがわかる。
【００４２】
複数の受信機間で少数のＡ／Ｄ変換器を共用する上述のアプローチは、当然ながら、送信側でも同様に有効であり、すなわち、同期して又は順番に動作する複数の送信機を有し、ディジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器の出力を複数の送信機に選択的及び／又は適応的に接続することで実施可能である。
【００４３】
本発明の好ましい実施形態において、本システムは、手の部分又は他の物体の運動を追跡するために使用される。１組の実施形態において、追跡された運動は、ディスプレイ画面上の選択手段の運動を制御するために使用される。
【００４４】
運動を追跡する範囲を含む予め決められたゾーンは、ディスプレイから分離していてもよく、例えば、タッチパッド、タブレットなどに類似した形態であってもよい。しかしながら、１組の実施形態において、予め決められたゾーンは、ディスプレイ画面の領域の少なくとも一部を含み、好ましくは全部を含む。これにより、本発明の実施形態は、従来のタッチスクリーンに関連付けられた欠点なしに、タッチスクリーンをエミュレートすることができる。これは、現に、実際のディスプレイを変更することを一切必要とせず、タッチスクリーンによって提供されるものと同様の機能を可能にし、これにより、ディスプレイ画面を備えた既存の製品に容易に組み込むことができる。１組の有利な実施形態では、アクティブ領域は、ディスプレイ画面の少なくとも１つのエッジ部を超えて延在する。このことは、装置の物理サイズを増大させる必要なくユーザによる装置の対話的操作を容易にするので、小さな画面を有するモバイル装置において特に有用である。
【００４５】
一部の実施形態、例えば前述のタッチスクリーンエミュレータ又はタッチパッドの実施例では、本システムは、物体を２次元で追跡するように構成される。しかしながら、他の実施形態では、本発明の基準を満たす少なくとも３組の送信機及び受信機のペアを有することで、３次元の追跡を実行可能である。このことは、例えばコンピュータゲームを制御するさいに、より有用である可能性がある。
【００４６】
予め決められたゾーンがディスプレイ画面又は他の物理面の部分を含む場合、この面は制御面とみなすことができる。制御面は、この面の前において運動を認識又は追跡することができるような面として理解されるべきである。この面は必ずしも実際に接触される必要はない（ただし、接触される場合を除外するものではない）。より典型的には、運動は、面に近接するが面に接触することなく行われる。１組の好ましい実施形態において、本発明の装置は、周縁部の周りに配置された少なくとも４つのトランスデューサを有する制御面を備え、上記トランスデューサは、少なくとも１つの送信機と少なくとも１つの受信機とを備え、これにより少なくとも３組の送信機及び受信機のペアを定義する。上記トランスデューサは、各組のペアの送信機及び受信機の間の離隔距離が、上記制御面の最短の辺の長さの少なくとも４分の１になるように構成される。
【００４７】
このように各チャネルの送信機及び受信機の間に最小間隔を保証することにより、本発明の第１の態様で特定された条件を満たすことができる。すなわち、少なくとも２組の送信トランスデューサ及び受信トランスデューサのペアであって、上記ペアのうちの送信機から上記ユーザの手の目標部分を経由して上記ペアのうちの受信機に至る上記位置決定信号の合計伝搬時間が所定の点集合に往復する等価な合計伝搬時間より短くなるようなペアが存在し、上記点集合は、上記手の目標部分から所定の最小間隔よりも離れているが、上記制御面の最近接点から上記手の目標部分の位置までの距離と少なくとも同じ距離だけ上記制御面の最近接点から離れている、上記予め決められたゾーン内におけるすべての点を含む。
【００４８】
本発明は、物体を追跡する装置に拡張される。上記装置は、周縁部の周りに配置された少なくとも４つのトランスデューサを有する制御面を備え、上記トランスデューサは、少なくとも１つの送信機と少なくとも１つの受信機とを備え、これにより少なくとも３組の送信機及び受信機のペアを定義する。上記トランスデューサは、各組のペアの送信機及び受信機の間の離隔距離が、上記制御面の最短の辺の長さの少なくとも４分の１になるように配置される。
【００４９】
この構成は特に、上記最短の辺が少なくとも５ｃｍである場合、例えば、７ｃｍより長い場合、１０ｃｍより長い場合、１５ｃｍより長い場合、又は２０ｃｍより長い場合に適用可能である。
【００５０】
上記各組のペアの送信機及び受信機の間の離隔距離は、上記制御面の最短の辺の長さの少なくとも２分の１、又は少なくとも最短の辺の長さの全長、又は最短の辺の長さよりも長くすることができる。上記制御面は、矩形、正方形、又は他の任意の形状にすることができる。例えば、上記制御面は円形又は楕円形にすることができ、この場合、最短の辺と呼んでいる箇所は、直径又は短軸と読みかえる必要がある。
【００５１】
好ましくは、トランスデューサは、一方のタイプの１つのトランスデューサ（送信機又は受信機）と、他方のタイプの３つのトランスデューサとを含む。
【００５２】
すべてのトランスデューサが、画面の１つの辺に沿っていてもよい。すなわち、送信機及び受信機のペアのいずれの組も、制御面の一部にまたがるように設けられることはない。しかしながら、他の実施形態では、すべてのトランスデューサが同じ辺に沿っているのではない。この場合、本願出願人が発見したところによれば、同じ辺に沿ったトランスデューサは、互いにあまり近接しすぎるべきではない。特に、送信機が送信するように構成された最低周波数信号の波長の少なくとも２分の１だけ離隔して、同じタイプの少なくとも２つのトランスデューサ（すなわち、２つの送信機又は２つの受信機）が設けられるべきである。この離隔距離は、波長全体より長くてもよく、又は２波長よりも長くてもよい。これにより、当該技術において理解される用語の意味において、トランスデューサはアレーを形成するのではないということが明らかになる。好ましくは、２つのトランスデューサは、制御面の最短の辺の長さの少なくとも１０％に等しい長さだけ離隔され、例えば２０％よりも長い長さだけ離隔され、例えば３０％よりも長い長さだけ離隔される。ここで、実際に確立されるのは「近傍界」を追跡する状況であることがわかるであろう。複数のトランスデューサは、相対的な時間差のみを用いて動作面に沿った物体の位置を決定できるようにするために十分に離隔される。このことは、トランスデューサシステムに十分なベースラインが存在しない限り不可能である。平面内の位置は相対的な時間差のみを用いて確定可能であるのに対して、垂直方向の位置のオフセットは信号の絶対的なタイミングを用いて確定され、これら２つを組み合わせて３次元の位置を生成する。
【００５３】
前述の装置の好ましい実施形態では、各組の送信機及び受信機のペアによって定義されるチャネルのすべてが、物体を追跡するために使用される。
【００５４】
信号と、従ってトランスデューサとは、光学的なものであってもよいが、好ましくは音響的なものであってもよく、さらに好ましくは超音波のものであってもよい。本願出願人が認識したところによれば、音響によるシステムでは、光学ベースのシステムのように信号が狭い視野に制限される場合よりも広い領域にわたってカバーするように信号が広がって伝搬可能であるので、位置決定及び追跡のためには音響によるシステムが有益である。このことは、完全に平坦な面を必要とするモバイル装置及び固定装置の両方の厳密な現代の画面設計の要件に適合するので、特に価値がある。ただし、典型的には、トランスデューサは一様な角度方向の送信／受信パターンを持たない。従って、好ましい実施形態では、送信機によって送信される信号又は受信機によって受信された信号には、上記送信機又は受信機の指向性パターンを補償する逆フィルタが適用される。
【００５５】
これは、非接触追跡の用途において物体を干渉物から識別する新規な方法であると確信する。従って、本発明は、別の態様によれば、予め決められたゾーン内における物体の運動を追跡する方法を提供する。上記方法は、送信機から音響信号を送信することと、上記信号が上記物体から反射された後に上記信号を受信機において受信することと、上記送信機による送信の前及び／又は上記受信機による受信の後に上記信号に逆フィルタを適用して上記送信機及び／又は受信機の性能の指向性変動を補償することとを含む。
【００５６】
一部の好ましい実施形態では、送信信号の周波数スペクトラムは、増強又は抑圧することが望ましい伝搬方向に対応する周波数を増強又は抑圧するように変更される。例えば、これによれば、物体が存在していると期待される伝搬方向に強い周波数成分を含むように送信信号を変更することにより、又は逆に、「干渉」物が存在していると期待される方向に周波数成分をほとんど持たないか又はまったく持たない信号を放射することにより、存在しうる物体がどこに位置していると考えられるかということに関する事前の知識を考慮できるということになる。
【００５７】
逆フィルタは、周波数領域でも時間領域でも等しく良好に導出することができ、周波数領域では、さまざまな周波数のさまざまな重み付けを用いて導出可能であり、時間領域では、さまざまな方向のエコーのフィルタリングを「逆マッピング」する目的を果たす一般形式の逆行列、すなわち必ずしもテプリッツ行列ではない行列として実装可能である。フィルタリングは、信号の包絡線上で実行されてもよく、又は、連続した複数の周波数帯の包絡線上で実行されさえしてもよい。特に、複数の物体が一部の周波数サブバンドにおいて同様の又は等しい反射能力を有する場合、これは、システムのクロスレンジ分解能を増大させるために使用可能である。逆フィルタは、線形である必要はなく、線形手段によって計算される必要もない。例えば、それらは、情報理論的アプローチ及びエントロピーの尺度を用いて分離及び／又は情報内容を最大化する学習関数を含む、ニューラルネット又は遺伝的アルゴリズムを用いて適応的に計算可能である。最後に、フィルタリングは、送信機側及び受信機側の両方において同時に実行可能であり、また、反射物自体による逆フィルタリングのステップさえ含んでいてもよく、この場合、例えば、物体を所定の角度に傾斜させ、これにより信号に非線形の位相遅延を導入し、そうしなかった場合に比べて鋭くさせる。製品によっては、物体の向きを計算することもできる。
【００５８】
本願出願人が理解するところによれば、トランスデューサの指向性特性は、信号が物体から反射された前又は後における信号の向きを考慮できることにより物体の追跡をもっと正確にすることができるので、実際には肯定的に評価される特徴である。実際に、一部の実施形態では、指向性は意図的に向上されている。１組の実施形態において、トランスデューサのうちの少なくとも１つ又はその筐体は、トランスデューサの指向性を向上させるように構成される。このことは、例えば、無変更かつ無筐体の円形トランスデューサによって達成されるものよりも低い角度方向の対称性をもたらす。１組の実施形態において、前述のトランスデューサは、指向性を向上させるために、標準的なトランスデューサ及び／又は円形ではないトランスデューサよりも大きくされる。
【００５９】
他の１組の実施形態では、指向性を付加するために、信号又は反射の経路に散乱構造物が設けられる。散乱構造物として使用可能なさまざまな異なる構造物が存在する。限定するものではないいくつかの例として、不規則的な開口のアレーを備えたパネル、一連の不規則な突起もしくは管、又は、本体を通過する１つ以上の不規則な通路、不規則な出口のパターンに至る一連の規則的な突起もしくは管、又は、不規則な出口のパターンに至る一連の不規則な突起もしくは管、がある。
【００６０】
本発明は、他の態様によれば、物体への方向を決定する方法を提供する。上記方法は、
上記物体に向けて信号を送信することと、
上記物体からの上記信号の反射を受信することと、
上記受信された信号をディジタル的に解析して上記物体への方向を決定することとを含み、
上記送信された信号又は上記反射された信号は、上記信号又は反射を伝搬方向の関数として変更するように構成された散乱構造物を通過する。
【００６１】
本発明の態様は、物体への方向を決定する装置に拡張される。上記装置は、
上記物体に向けて信号を送信する送信機と、
上記物体からの上記信号の反射を受信する受信機と、
上記送信された信号又は上記反射された信号が通過するように配置され、使用時に上記信号又は反射を伝搬方向の関数として変更するように構成された散乱構造物と、
上記受信された信号をディジタル的に解析して上記物体への方向を決定する手段とを備える。
【００６２】
好ましくは、上記変更は、インパルスの振幅、周波数及び位相のうちの少なくとも１つに影響するが、当然ながら、これらのうちのいくつかに影響する可能性がある。好ましくは、信号は音響信号であり、好ましくは超音波信号である。
【００６３】
都合のよいことには、上記関数は、空間において不規則に分布及び／又は方向付けられた複数の方向のそれぞれについて一意的な値を有する。上記受信された信号を解析して上記方向を決定するステップは、好ましくは、上記受信された反射に上記関数の逆関数を適用することを含む。これにより、放射されたインパルスの指向性特性についての知識を用いることにより、物体の位置に関する情報を取得することができる。この情報は、上記物体の位置を正確に決定するために伝搬時間決定から必要とされるはずであった情報量を削減するために使用可能である。
【００６４】
上記関数は、モデリングによって決定されてもよく、それに代わって、学習フェーズにおいて経験的に決定されてもよい。これは、結果的に得られる処理された信号記録の全体的な可視性及び／又は分離性に関する１つ以上のコスト関数を最適化することで、「ブラインド推定」により、すなわち、事前の学習なしに決定することもできる。
【００６５】
１組の可能な実施形態において、上記散乱構造物は、複数の開口を備える。好ましくは、上記開口の寸法は１ｃｍ未満であり、より好ましくは１ｍｍ未満である。４０ｋＨｚの超音波は空気中で約８ｍｍの波長を有し、従って、孔は、低周波の超音波の波長に比較して相対的に小さい。好ましくは、上記複数の開口は、使用時に音波の点波源放射器として個別に機能するが、それらの組み合わせでは機能しない。
【００６６】
他の１組の実施形態では、上記散乱構造物は、上記トランスデューサの信号経路に設けられた複数の細長い突起を備える。前述した２組の実施形態は相互に排他的なものではなく、突起は、例えば、その長手方向に沿って、又は単に中空の管の口に、開口を有してもよい。
【００６７】
他の１組の実施形態において、上記散乱構造物は複数のチャネルを備え、上記構造物は、上記トランスデューサに往復する信号のうちの実質的にすべてが上記構造物のチャネルを通過するように、上記トランスデューサの信号経路に設けられる。好ましくは、少なくとも１つの周波数に関して、上記複数のチャネルは、上記トランスデューサから各チャネルの開口まで測定された異なる信号経路長を有する。上記チャネルは、円筒形状であってもよく、非円筒形状であってもよい。
【００６８】
上記散乱構造物は、ただ１つのトランスデューサに適用されてもよく、又は複数のトランスデューサに適用されてもよい。複数のトランスデューサに適用される場合、これらは送信機であっても受信機であってもよく、そのいずれか又は両方からなる複数のものであってもよい。明らかに、複数の散乱構造物は同じものであってもよく、異なるものであってもよい。複数の散乱構造物を有する好ましい実施形態において、それらの指向性パターンが合成されて合成パターンを生成してもよく、合成パターンは、典型的には、個別のパターンよりも複雑になり、従って、より良好に伝搬方向を識別する。単一の合成逆関数を、経験的に、又は複数の関数から、又は複数の散乱構造物の逆関数から計算することができる。
【００６９】
前述した本発明に係る特に有利な１組の実施形態では、上記散乱構造物は、電子装置、例えば指などの追跡される物体の運動により制御される電子装置の筐体を備える。これにより、１つ以上の目立たない開口が見えているだけで、トランスデューサを装置内に埋め込むことができる。これにより、既存の装置設計において、非接触機能を（ユーザにとっては）ほとんど不可視で一体化できる可能性がもたらされる。
【００７０】
これは、それ自体で新規性及び進歩性を有するものであり、従って、他の態様によれば、本発明は、物体への方向を決定する装置を提供する。上記装置は、
装置本体と、
上記物体に向けて信号を送信する送信機と、上記物体からの上記信号の反射を受信する受信機とを備え、上記送信機及び上記受信機のうちの少なくとも一方が上記装置本体の内部にあり、
上記装置は、
上記装置本体に開口を備え、上記装置本体内の上記送信機又は受信機と通信する散乱構造物であって、上記送信された信号又は上記反射された信号が上記構造物を通過して、使用時に上記信号又は反射を伝搬方向の関数として変更するように構成された散乱構造物と、
上記受信された信号をディジタル的に解析して上記物体への方向を決定する手段とを備える。
【００７１】
好ましくは、上記開口又は上記各開口は、その内側に複数の突起を備え、及び／又は非円筒形状である。
【００７２】
本願出願人が考える本願発明のこの態様及び他の態様に係るさらに有利な実施形態によれば、トランスデューサは、装置の内部に埋め込まれ、装置本体における開口を介して通信する。このような実施形態では、使用時に複数の別個の追跡ゾーンが定義されるように、複数の開口が設けられる。例えば携帯電話機又はＰＤＡでは、例えば正面に設けられた１つの開口又は１組の開口が、装置の正面のゾーン内で追跡するために使用され、これは、装置を保持しているときに装置を操作するために使用可能であり、その一方、第２の１つの開口又は１組の開口が、第２の追跡ゾーンを定義するために例えば側面に設けられ、例えばこれは、装置が机上にあるとき（ゾーンが机の表面にあるとき）に使用可能である。このように、非接触動作が可能な電話機は、任意の面を仮想的なキーボード又はカーソル制御パッドに変えることができる。
【００７３】
他の散乱構造物が使用されたときであっても、この概念はまた、それ自体、新規性及び進歩性を有し、従って、本発明は、他の態様によれば、物体の運動を追跡する装置を提供する。上記装置は、
上記物体に向けて信号を送信する送信機と、上記物体からの上記信号の反射を受信する受信機と、
上記送信された信号又は上記反射された信号が第１の追跡ゾーンに往復する際に通過し、使用時に上記信号又は反射を伝搬方向の関数として変更するように構成された第１の散乱構造物と、
上記送信された信号又は上記反射された信号が第２の追跡ゾーンに往復する際に通過し、使用時に上記信号又は反射を伝搬方向の関数として変更するように構成された第２の散乱構造物と、
上記受信された信号をディジタル的に解析して上記物体の位置及び／又は上記物体への方向を決定する手段とを備える。
【００７４】
前述の実施例における装置本体の開口のように別々の散乱構造物が使用されるが、このことは、各追跡ゾーンのために別々の複数のトランスデューサが必要であることを意味しない。このことは、このような装置の複雑さ、重さ及びコストを削減するので有益である。
【００７５】
より一般的に、本発明の任意の態様によれば、単一の予め決められたゾーン／追跡ゾーン又は制御面のみが存在してもよいが、複数設けられてもよい。これらは互いに同様のものであってもよく、例えばユーザの両手で指の追跡をするための２つのゾーンであってもよい。しかしながら、本願出願人は、さらに有益な構成を発明し、この構成によれば、前述のように追跡を行うために１つのゾーンを使用し、他の運動を検出するために１つのゾーンを使用する。上記他の運動は、典型的には、より限定的なものであり、従って高い信頼性で検出するのがもっと容易なものである。このことは、前述した携帯電話機のテーブルに基づく操作で特に有用になる可能性があるが、その理由は、一方の手を指の追跡に使用することができ、他方を、「クリック」又はジッタを示しうる反復的な動きのような簡単な動きを行うために使用できるからである。
【００７６】
これによれば、同じ装置を用いて指トレースの動きと垂直方向の指の運動との両方を検出しなければならず、平面からはずれた方向では装置の分解能が低下するかもしれないという問題点が回避される。従って、１組の実施形態では、本装置はさらに、第２の予め決められたゾーン内におけるもっと限定的な１組の運動を決定するように構成された少なくとも１つの追加のチャネルを備える。上記第２のゾーンは第１のゾーンとオーバーラップしていてもよいが、好ましくは第１のゾーンとは別個のものである。
【００７７】
これは、それ自体で新規性及び進歩性を有するものであり、従って、別の態様によれば、本発明は、同時に動作可能な第１及び第２のゾーンを定義するように配置された複数の送信機及び複数の受信機を備え、上記第２のゾーン内においては上記第１のゾーン内に比較してより限定された１組の運動が検出可能であるように、各目標物の運動は検出可能である。前述のように、追跡のために一方のゾーンが使用されてもよく、「クリック」、タップ又はジッタなどのジェスチャー認識のために他方が使用されてもよい。
【００７８】
前述した本発明の所定の態様によれば、トランスデューサのレイアウトは、例えば手などのポインティングする物体の誤った部分をポインティングを行う先端部として誤って解釈することを回避するように、注意深く選択される。トランスデューサの個数が増大すると、このことを達成するのはもっと容易になる。本願出願人が理解するところによれば、これの拡張として、追跡ゾーンの１つのエッジ部に沿った複数のトランスデューサからなるアレーが得られる。本願出願人がさらに理解するところによれば、このようなアレーは、大きな複雑化なしに単一の細長いトランスデューサによって置き換え可能である。さらに、音響波とともに使用される場合に細長いトランスデューサが有益であるが、これは、点波源のトランスデューサよりも複雑な指向性パターン（従って、より良好な指向性分離）をもたらすからである。それに加えて、細長いトランスデューサを有することは、少なくともその一部に指の先端が近づく可能性が増大するので有益である。細長い送信機が特に有利であるが、その理由は、本願出願人が理解したところによれば、細長い送信機は小さな点波源のものよりも製造が容易であり、さらに、より大きな電力での送信を可能にして向上した信号対雑音比をもたらすからである。さらに、細長い送信機は、雑音が多い環境において有利になる可能性があるが（例えば、本発明の実施形態に係る２つ以上の装置が互いに近接して位置しているもの）、その理由は、点波源の場合よりも指向性の鋭い音波を生成し、これによりクロストークの可能性を低下させることができるからである。
【００７９】
本発明は、別の態様によれば、物体の位置を決定する装置を提供する。上記装置は、細長い送信機と、少なくとも１つの受信機と、上記送信機と通信する処理手段であって、少なくとも、上記送信機の長手方向に垂直な上記送信機の突起によって部分的に定義されるゾーン内において、物体の位置を決定するように動作する処理手段とを備える。
【００８０】
本発明は、物体の位置を決定する方法に拡張される。上記方法は、細長い送信機から信号を送信することと、上記物体から反射された後に受信機を用いて上記信号を受信することと、少なくとも、上記送信機の長手方向に垂直な上記送信機の突起によって部分的に定義されるゾーン内において、上記物体の位置を決定することとを含む。
【００８１】
このように、上記細長い送信機は、その前方に定義された領域において物体の位置決定を行うために使用される。好ましくは、本装置は、上記細長い送信機によって送信され、上記物体によって反射され、上記受信機において受信された信号の伝搬時間に基づいて上記物体の位置を決定するように構成される。好ましい実施形態では、本装置は、上記ゾーン内において上記物体の運動を追跡する。
【００８２】
一部の好ましい実施形態では、上記細長い送信機は、タッチパッド、又はより好ましくはディスプレイ画面などの平坦な面のエッジ部と平行に延在するように配置され、オンスクリーンの選択手段の運動を制御できるようにする。好ましい実施形態では、上記送信機は、平坦な面に対して完全に同一の面になるように設けられるか、又は、凹部に設けられる。
【００８３】
上記送信機は、曲がっていてもよいが、好ましくはその長手方向の軸に沿って直線状である。後者の実施例では、上記ゾーン内における物体と上記細長い送信機との間の最短の経路が上記送信機に対して垂直になるので、計算が簡単化される。
【００８４】
指に基づくタッチスクリーンエミュレータ、又は信号伝搬時間情報を用いた同様の近接インターフェースシステムに適用される場合、細長い送信機を用いることは、ユーザの手の意図された指先以外の部分が受信機で最初に受信される反射を生じさせる可能性を低下させることができるが、その理由は、指先と細長い送信機との間の信号経路の少なくとも一部に関して、細長い送信機の長手方向に沿ったいずれかの点において指先がユーザの手の最も近接した部分になるだけでよいからである。
【００８５】
一部の実施形態では、第２の細長いトランスデューサも設けられる。これは、上記受信機であってもよく、又は、第３のトランスデューサ（送信機又は受信機）であってもよい。２つの細長いトランスデューサは、互いに平行に設けられてもよく、又は、他の任意の角度で設けられてもよいが、好ましくは、実質的に互いに垂直に設けられる。一部の好ましい実施形態では、１つの細長いトランスデューサは、ディスプレイ画面の上側又は下側のエッジ部に隣接して設けられる一方、第２のものは、左側又は右側のエッジ部に隣接して設けられる。
【００８６】
本明細書で用いる用語「細長いトランスデューサ」は、中心の送信／受信の軸に対して直交する方向のうちの一方の長さが他方の直交する方向の長さよりも有意に長いアクティブ素子（信号を送信又は受信するもの）を含むトランスデューサを意図したものである。例えば、好ましい実施形態では、トランスデューサの長さは、その幅の少なくとも２倍であり、より好ましくは、その幅の５倍よりも長く、より好ましくは、その幅の１０倍よりも長い。
【００８７】
先に説明したように、追跡ゾーンのフィールド内における物体と直線状の細長いトランスデューサとの間の最短距離は、垂直線である。この意味するところは、タッチスクリーンエミュレータにおいてこのようなトランスデューサを用いることにより、物体の位置を決定するために必要とされる幾何学的計算、従って必要な処理パワーを簡単化できるということである。伝搬時間の方法を用いて点の座標を決定する際に、少なくとも何らかの楕円に基づく計算を行う必要性を免除することができる。
【００８８】
当然ながら、注意深いトランスデューサの構成によって指と手の間の分離を支援することに関して、細長い送信機と同様に細長い受信機を有することは同じく有益である可能性がある。これらのいずれも、送信機から指を経由して受信機に至る経路のＴＯＦを、点に基づくトランスデューサよりも平均的に短くするという性質があり、このことは、手から指への干渉を回避するので有利である。
【００８９】
少なくとも１つの細長い送信機又は受信機を有するシステムを用いて面上で指を首尾よく追跡するために、奥行き方向の軸に沿った距離を計算できる手段であって、指が移動して追跡面から離れたか否かを検出することに使用可能な手段を提供することが有益である。従って、少なくとも１つの細長いトランスデューサを使用することは、手の目標部分と他の物体との間の分離をもたらすことを目的としたとき、本発明の前述の態様のすべてにおいて好ましい特徴を形成する。好ましくは、３次元の位置決定を可能にするために十分な個数のトランスデューサが設けられ、このように、本発明に係る装置は、好ましくは、「タッチスクリーン」モードを提供するとともに、さらに「３次元」の指の位置決定モードを提供してもよく、有利なことには、これら２つのモードの間で滑らかに切り換え可能にされてもよい。
【００９０】
好ましい実施形態では、物体の位置を３次元で決定できるように配置された、少なくとも３つの受信機が設けられる。このことは、以下の理由により特に有益である。例えば、指の運動を特定の平面内に拘束することなしに指の運動を追跡できるようにする、すなわち、実際上、単なる「接触」システムではなく「非接触」システムを可能にし、また、それと同時に、細長いトランスデューサを用いることは、指のエコー又は反射を手のそれから区別可能であるということを補償できるようにする。実際に、このような構成は、接触に基づくシステムから、同じトランスデューサを用いて指を追跡する非接触のシステムへのシームレスな遷移を可能にする。
【００９１】
これは、それ自体で新規性及び進歩性を有するものであり、従って、別の態様によれば、本発明は、物体の運動を追跡する装置を提供する。上記装置は、位置決定信号を送信又は受信する少なくとも４つのトランスデューサを備え、上記トランスデューサのうちの少なくとも１つは細長い形状を有し、上記各トランスデューサは、上記物体の位置を３次元で決定可能である追跡空間を定義するように配置される。上記装置は、上記トランスデューサのうちの少なくとも３組の送信機及び受信機のペアによって受信された信号を処理して上記追跡空間内における上記物体の位置を決定する手段を備える。
【００９２】
上記追跡空間は、完全に開いた空間、すなわち自由空間であってもよく、又は、一部の実施形態では、上記トランスデューサのうちの少なくとも３つ（典型的には、細長いものを含む）は、タッチパッド（受動的又はディスプレイ形態のいずれか）を定義する物理面と同じ平面になるように設けられてもよい。これによれば、タッチパッドを対話的に操作する際に、従来と同様に操作することと、非接触、すなわち面から離れて操作することとの間でシームレスに遷移することが可能になる。
【００９３】
当然ながら、上記トランスデューサの個数は最小値であり、４つより多くのトランスデューサを用いてもよく、及び／又は、１つより多くの細長いものを用いてもよい。一部の実施形態では、細長いトランスデューサは送信機であるが、これは受信機であってもよい。
【００９４】
手と指をうまく分離する原理に従って、指を追跡可能になるように、ディスプレイ画面に対する指の位置を決定することによりディスプレイ画面用のタッチスクリーン又は近接スクリーンの制御を可能にするための特に有用な設計は、複数組の送信機及び受信機のペアを主に画面を交差する方法で配置することによってもたらされる可能性がある。ここで、画面を交差するとは、言い換えると、各ペアのうちの送信機が当該ペアの受信機に対して画面をはさんで設けられ、このとき、これら２つの間に、画面を２つの部分、例えば実質的に等しい部分に分割するか、又は小さいほうの部分が画面面積の少なくとも１０％又は２５％又は４０％になるように分割する仮想的な直線が存在する。これによれば、より一般的なセンサ構成に対して重要な利点を得ることができる。上述のポイントは、必ずしも画面ではなく、他の任意の制御面に対して同様に適用される。
【００９５】
第１に、送信機から指を経由して受信機に至る経路のＴＯＦは、少なくとも経路のＴＯＦが最短である各組の送信機及び受信機のペアに関しては、指が面に近接しているときであっても、短い。このことは、主に「水平チャネル」又は「垂直チャネル」又は「対角チャネル」又は任意の中間の向きを有するチャネルになるように配置された各組のトランスデューサのペアに当てはまる。この短い「平均ＴＯＦ」はまた、手の関連するほとんどの向きに関して、指と手の間のＴＯＦにおいて良好な分離を保証する。
【００９６】
第２に、平均ＴＯＦが短いことは、少数のインパルス応答タップのみを推定及び／又は使用するだけでよいということを意味する。
【００９７】
最後に、チャネル毎に、すなわち各組の送信機及び受信機のペア毎にインパルス応答の短いセグメントを調べることにより、正確なｘｙｚの追跡を行うことなくても、指の近似的な位置を得ることができる。実際に、これは、チャネルのインパルス応答の少数のタップにおいて物体の存在を単に検出することにより、すなわち、しきい値技術又はエッジ検出技術を用いることにより達成可能である。このことは、減算又は適応フィルタリングにより送信機から受信機への直接経路信号の寄与を除去しながら実行可能である。その存在を検出する検出器は、インパルス応答の特定の部分により大きなエネルギーが存在することを検出することにより、又は、指が送信機と受信機との間においてまっすぐになっている場合には、指による受信機の「隠蔽」を検出することにより、又はこれら２つの組み合わせを用いることにより、動作可能である。
【００９８】
前述した利点のすべては、指の位置を手の位置から分離するように用いられる、注意深いトランスデューサ構成の結果である。最後に説明した画面を交差する設計は、ＬＣＤフォトフレーム、ＧＰＳシステム、テレビジョン、又はラジオなどの多数の電子装置に適した、従来のタッチスクリーン技術に対する低コストの代替物を提供するために特に有用である。
【００９９】
本願出願人が理解するところによれば、伝搬時間の方法を用いて物体の位置を決定する際に信号経路の混乱が生じる可能性を低下させるための代替のアプローチは、別個の独立した複数のトランスデューサ又は細長いトランスデューサを用いるのではなく、（２次元の）追跡ゾーンを構成するその面又は（３次元の）追跡ゾーンのうちの１つの面を構成するその面のすべて、又は実質的にすべてにわたって受信するように配置された２次元トランスデューサを用いることである。
【０１００】
従って、本発明は、別の態様によれば、物体の位置を決定する方法を提供する。上記方法は、
追跡ゾーンに信号を送信することと、
追跡ゾーンを定義する又は追跡ゾーンのうちの面を定義する受信面において、上記物体からの上記信号の反射を受信することと、
上記信号の伝搬時間から上記物体の位置を決定することとを含む。
【０１０１】
本発明は、物体の位置を決定する装置に拡張される。上記装置は、
追跡ゾーンに信号を送信する送信機と、
追跡ゾーンを定義する又は追跡ゾーンのうちの面を定義する受信面を有し、上記物体からの上記信号の反射を受信する受信機と、
上記信号の伝搬時間から上記物体の位置を決定する手段とを備える。
【０１０２】
上記受信面は、任意のタイプのもの、例えば専用パネル又は他の面であってよい。しかしながら、好ましくは、上記受信面はディスプレイパネル、例えばディスプレイ画面を含む。これにより、便利かつ目立たない方法で追跡装置をディスプレイと一体化することができる。上記受信面は、複数の信号に対する一体的な感度を有してもよい。すなわち、
上記面がセンサ自体として使用されるか、又は、それに接続された複数の独立したセンサを備えてもよく、これにより、上記面において受信された信号を用いることで、上記面上のどこで信号及び任意の２次エコーが上記面に最初に当たるのかを検出することができる。
【０１０３】
好ましくは、物体は人間の指である。
【０１０４】
パネルに音波を受信させる技術は公知であり、例えば、このことは、適正な特性を有するガラス又はプレキシグラス（plexiglass）のパネルに超音波信号が当たったときに当該パネルが動かされることで行われる。このアプローチは、タッチスクリーンディスプレイにおいて音響表面波又は曲げ波を用いるアプローチとは対照的なものとして存在しているが、その理由は、特に、波が面自体によって発生されて面自体から放射されるからである。
【０１０５】
好ましくは、上記パネルは平坦である。現代の製品設計のニーズを実現する際におけるこのことの重要性は前述した。この場合、受信機が周縁部に設けられる状況とは対照的に、パネル自体によって受信される音響信号は、指先がどこにあろうとも、それが手からパネルへの最短の部分である限りは、送信機とユーザの指先とフラットパネルの受信機との間のＴＯＦがユーザの手の他の任意の部分に係るＴＯＦよりも短くなるＴＯＦを必ず有するということが理解されるであろう。従って、適切に配置された受信機を用いるとき、ユーザの手の意図された指先以外の部分が、画面に最も近接した物体として誤って決定される問題を緩和することができる。
【０１０６】
本発明のこの態様に係る一部の実施形態の別の利点は、物体の位置を決定するために必要な計算を簡単化する際に分かる可能性がある。特に、楕円の交点を計算することが必要とされるのではなく、複数の受信機のそれぞれにおけるエコーの到着時間に基づいた三角測量によるアプローチが使用されてもよい。
【０１０７】
前述した態様のすべてに関して、任意の１つの態様に係る好ましい特徴は、適切であればいつでも、他の態様のうちの任意のものに等しく適用されてもよい。
【０１０８】
本明細書で使用するとき、用語「トランスデューサ」は、送信機又は受信機に関する、又は実際にはこれら両方の機能を実行できる構成要素に関する、包括的な用語である。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】参考の目的でのみ示した入力追跡システムの正面投影図である。
【図２】図１のシステムの上面投影図であり、ユーザが上記システムを対話的に操作することを示す図である。
【図３】図２のシステムの他の上面投影図であり、システムの欠点を説明する図である。
【図４】本発明の実施形態に係る、複数のトランスデューサを備えた入力追跡システムの正面投影図である。
【図５】図４の実施形態の上面投影図であり、ユーザが上記システムを対話的に操作することを示す図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る、細長いトランスデューサを備えた入力追跡システムの正面投影図である。
【図７】図６の実施形態の上面投影図であり、ユーザが上記システムを対話的に操作することを示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る、複数の細長いトランスデューサを備えた入力追跡システムの正面投影図であり、ユーザが上記システムを対話的に操作することを示す図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る、散乱構造物を有する物体位置決定システムの部分を示す斜視図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係る、散乱構造物を有する他の物体位置決定システムの部分を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第６の実施形態に係る、散乱構造物を有する物体位置決定システムの上面投影図である。
【図１２】本発明の第７の実施形態に係る、テーブル上追跡システムの水平横断面図である。
【図１３ａ】手の運動を示す一連の図であり、本発明の実施形態の動作をより詳細に説明する図である。
【図１３ｂ】対応する一連のインパルス応答を示す図である。
【図１４ａ】手の異なる部分を示す図である。
【図１４ｂ】手の複数の部分から反射された信号経路を示す図である。
【図１５】トランスデューサの指向性パターンを示す概略図である。
【図１６】本発明の他の実施形態に係る装置の概略図である。
【図１７】本発明の別の実施形態に係る装置の概略図である。
【図１８】本発明のさらに別の実施形態に係る装置の概略図である。
【図１９】本発明の実施形態に係る携帯電話機の概略図である。
【図２０】本発明の実施形態に係る携帯電話機の概略図である。
【図２１】設計者が仕様を決定する際に考慮するパラメータを示す図である。
【図２２】画面の反対側に設けられた送信機２００２及び受信機２００１を備えた画面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０１１０】
以下、本発明の所定の好ましい実施形態について、添付の図面を参照して、例示としてのみ説明する。
【０１１１】
先に説明したように、図１〜図３は、トランスデューサのレイアウトによっては、トランスデューサのアレーに最も近接したユーザの手の部分を正しく識別する際に問題が生じる可能性があり、このことがユーザの指先の運動を追跡しようとする際に問題をもたらす可能性があるという状況を示す。これらの問題は、図１３ａ、図１３ｂ、及び図１４を参照して以下に説明されるように、インパルス応答イメージを考慮することで理解することもできる。
【０１１２】
図１３ａを参照すると、図の左側に位置している画面に向かってポインティングしている手８０１が示されている。一連の３つの図にわたって、指は上側に向かいはじめ（８０２）、次いで最終的には上側をポインティングする（８０３）。エコーの位置決定の結果に対するこの運動の影響は、図１３ｂの曲線８０７を調べることで理解できる。これらの曲線は、指がステップ８０１〜８０３に示すように移動する場合の場面の記録の「インパルス応答イメージ」を表す。
【０１１３】
インパルス応答イメージは、所定時間にわたってシステムのインパルス応答をサンプリングしたものである。「インパルス応答」は、あるインパルスがシステムに印加されたときのシステムの応答として定義される。この場合、インパルス応答は、送信機から送信され、指及び手の残りの部分によって反射され、次いで受信機によって受信されたインパルス信号の記録された影響である。インパルス応答はまた、ディラックパルス以外の信号がシステムに印加される場合には、相互相関又は逆演算の技術などの他の手段により計算することもできる。
【０１１４】
ｈ（ｔ，ｓ）を、時刻ｔの周囲でサンプリングされた遅延ｓにおけるインパルス応答を示すものとする。典型的には、ｔは所定間隔で、例えば１２０Ｈｚでサンプリングされ、記録されるタップ数は１００〜２００の間である。ここで、インパルス応答イメージは次式により正確に定義することができる。
【０１１５】
【数１】
0005615270.tif 000002
【０１１６】
ここで、［ｉ０，ｉ１］は、イメージが生成される時間スナップショットの区間を示し、Δｔは、連続したインパルス応答の記録の間の時間間隔を示し、［ｊ０，ｊ１］は、調べる対象であるインパルス応答におけるフィルタタップインデックスの区間を示し、ｆは、システムのサンプリングレートを示す。ｔ０及びｓ０はそれぞれ、時間及びフィルタタップインデックスのサンプリングの初期値である。図１３ｂに、この行列に係る曲線を曲線８０７の連続したものとして示す。このイメージでは、所定の距離にある反射物から生じるエコーを線で示す。物体が静的である場合には、この線は直線になり、移動している場合には、曲線の動きは、送信機及び受信機のペアに対する反射物の距離の変化に対応する。非接触の用途においてこれを指の動きにマッピングする場合、手の位置８０１は対応するインパルス応答８０４を生じさせ、ここでは、手のエコー８０９から指のエコー８０８が良好に分離されている。指が傾きはじめるとき（８０２）、指のエコー及び手のエコーは互いに接近しはじめる（８０５）。最後に、指が上側をポインティングしているとき（８０３）、指のエコー及び手のエコーは互いにオーバーラップし、簡単に分離することはできなくなる（８０６）。
【０１１７】
指が画面の中心から離れて１つの辺に向かって移動するとき、同様の効果が生じる。この場合、一部の組の送信機及び受信機のペアには、指が図１３ａに示す「上側」の向き８０３にあるかのように見える。
【０１１８】
８０７に示す曲線は、指が手からまっすぐに伸ばされ、その後、折りたたまれて拳の一部になる動作を表している可能性もある。インパルス応答イメージからこのような動作を検出することは、「クリック」ジェスチャーを検出するために使用可能である。
【０１１９】
インパルス応答イメージはそれぞれ、特定のチャネル、すなわち各組の送信機及び受信機のペアに対応する。最初のステップとして、各チャネルからのインパルス応答は、指先と手の残りの部分との間で最良の分離を示すものがどれであるかということに基づいて、１つ以上の「最良」のものが選択されるように比較される。
【０１２０】
手と指の間の混同を回避するために、すべての画面又は面がセンサの配置又は選択を必要とするわけではない。携帯電話機のような比較的小さい画面又は面の場合には、複数のセンサをさまざまな方法で直線的及び／又は対称的に配置すること、例えば、送信機及び受信機として交換可能に動作する３つのトランスデューサを用い、１つを上側に配置し、下側のコーナーのそれぞれに１つずつ配置することで、この混同は十分に回避される。画面のサイズが手よりも小さい場合には、指と手の間の混同は、指が画面の外側のポインティングを始めるときにのみ生じる。
【０１２１】
与えられた状況において本発明に従って手と指の間の混同を解消するためのステップを実行する必要性が実際にあるか否かについては、容易にテストされる。適切なテストは、動作面、すなわちセンサを配置可能な領域（例えば、画面のフレームなど）と、設計仕様、すなわち、どのような種類の動作がシステムで機能することを許容されるかとに依存する。後者は、通常は、対話的操作の設計者によってされる決定事項であり、例えば、「ユーザは左手と右手のいずれを用いるのかを選択できなければならない」（適当な要件）、又は「システムは、手の残りの部分、すなわち画面に向かってポインティングしている指ではない部分のうちの手のひらが上向き、下向き、又は横向きのいずれであっても動作しなければならない」（もっと厳格な要件）、又は「システムは、指が画面を横向きにポインティングしている場合でも動作しなければならない」（さらにもっと厳格な要件）、又は「システムは、赤ん坊が使っている場合であっても動作しなければならない」（非常に厳格な要件）、などに言い換えることができる。手と指の間の混同の問題が生じているか否かを検出するために、以下のテストを行うことができる。所定の動作面かつ所定のセンサ構成の場合において、所定人数（好ましくは多数）のユーザに、画面のポインティングを、彼らが自然であると考える方法で画面全体にわたって実行させる。一方、対話的操作の設計者は、システムによる処理が要求されるべきではないと彼女が感じる位置からなる集合を観測して除去する。これにより、システムによって処理可能な、１組のポインティング位置と手の姿勢が残る。手の姿勢のうちの１つ以上に関して、システムのチャネルが調べられる場合であって、かつ、指と、潜在的に干渉する他の反射物、例えば他の指、指の付け根の関節、又は手の他のいずれかの部分とに係るＴＯＦのオーバーラップが観測される場合、手と指の間の混同を解消するためのステップを実行する必要がある。特定の例として、設計者は、図２１に示す以下のパラメータに値を付与することにより仕様を決定することができる。
【０１２２】
・ポインティングする正面の指が動作面に対して有する可能性がある最小距離ｄ０。
・ポインティングする正面の指が追跡されているときに、他の部分、おそらくは干渉を生じさせる指又は手の部分が動作面に対して有することができる最小距離ｄＡ。
・ポインティングする正面の指をシステムが追跡しているときに、ポインティングする正面の指を通る軸に対して他の指が有する可能性がある最大半径ｒＡ。
・半径ｒＡのまわりの、潜在的に干渉する物体が位置する可能性がある（図示せず）、可能な角度の区間Ｉ。
【０１２３】
設計者によって選択される仕様は、本発明に係る原理が適用されない場合に手と指の間の混同が生じる程度を決定する。例えば、シミュレーションによれば、５×５ｃｍの画面の場合、最小距離ｄ０＝０，ｄＡ＝４ｃｍ及びｒＡ＝５ｃｍと、区間Ｉ又は任意の可能な角度とを用いた条件では、本発明に係る原理を必ずしも用いなくとも、単に３つのチャネルを設けるだけで手と指の間の混同の問題を回避するようにトランスデューサを配置できることがわかった。一方、シミュレーションによれば、１０×１０ｃｍの画面の場合、ｄ０，ｄＡ，ｒＡ及びＩに関して同じ仕様の条件を用いたときには、手と指の間の混同の問題を回避する、さもなければ解消するためには本発明に係る原理が必要になることがわかった。従って、この仕様では本発明を適用する。さらに、シミュレーションによれば、５×５ｃｍの画面の場合であっても、前と同様に距離ｄ０＝０，ｒＡ＝５ｃｍ，及びＩ＝任意の角度を用い、ただしｄＡ＝２ｃｍを用いた条件、すなわち他の指を画面に近接させる条件では、混同の問題が発生し、従ってこれを解消するために本発明に係る原理を使用しなければならないこともわかった。上記条件は、使用中に他の指の位置に関する選択性が低いモバイル用途で好都合である。
【０１２４】
図４は、本発明の実施形態に係る指入力追跡システムであって、上述の問題点の影響を受けないシステムの正面投影図を示す。矩形フラットパネルディスプレイ画面１０２がフレーム１０４によって包囲され、その上側のエッジ部に沿って一列に、超音波送信機及び受信機が交互に設けられている。この列の左から右に向かって、左端の受信機１３４、左側の送信機１３０、中央の受信機１３６、右側の送信機１３２、及び右端の受信機１３８を含む。
【０１２５】
図５は、図４のシステムの上面投影図であり、ユーザが上記システムを対話的に操作することを示す。ユーザの手１６が画面１０２の左側に向かうとき、左側の送信機１３０は、近くの受信機によって検出されるインパルス、すなわち、左端の受信機１３４、中央の受信機１３６、及び、フレーム１０４の左側又は下側のエッジ部など、ディスプレイの左側に向かって設けられた他の任意の受信機（図示せず）によって検出されるインパルスを放射することができる。（破線の輪郭線で示すように）ユーザの手１６が画面の右側に向かうときは、中央の受信機１３６、右端の受信機１３８、及びディスプレイの右側に向かう他の任意の受信機と関連して、右側の送信機１３２を用いることができる。このように、小指の付け根の関節２０など、人差し指の先端以外であるユーザの手１６の部分が、アクティブな各組の送信機及び受信機のペアのうちの任意の組に対して最も近接した点になることは決してないということが保証される。従って、本システムは、指先以外の手の部分からの望ましくないインパルス応答によってシステムが指先の位置を決定できなくなるという、図１の構成によって例示された問題を回避する。位置を決定するために使用する送信機を左側の送信機１３０から右側の送信機１３２へ切り換えることの決定は、任意の適切な手段に基づいてもよく、例えば、指先の運動の連続性についての仮定を用いて、エコーを受信する受信機のうちの１つ以上に係る絶対時間から、指先の位置の追跡及び予測を行うこと、又は、赤外線ビームの構成などの完全に別個のシステムによって行うことが可能である。
【０１２６】
図４及び図５の構成は、前述の混同が偶然によって生じない原理に従って送信機及び受信機を配置することにより、図１〜図３、図１３ａ及び図１３ｂを参照して説明した状況において生じる可能性がある問題のある状況を回避する。
【０１２７】
図１７及び図１８は、前述した問題の影響を受けることがない、本発明の別の実施例を示す。図１７において、複数の受信機１７０１は、典型的には左側及び上側の遠方に設けられ、これにより、音波は送信機１７０２から指（図示せず）を経由して受信機１７０１まで伝搬し、指が画面のほぼ前に位置したときに常に指が手と混同されるという状況が生じることはない。図１８では、指向性情報を収集できるようにする複数の受信機が存在し、これについては後述する。図１８及び図１７の両方において、送信機は受信機と置き換え可能であり、その逆も可能である。これらの図において、送信機１７０２，１８０２は、画面の短辺の長さの４分の１よりも長い長さだけ、受信機１７０１，１８０１のそれぞれから離れていることに注意する。図１７の場合、複数の受信機１７０１のすべてが、送信機１７０２と同じ画面の側にあるのではない。複数の受信機は、使用される超音波信号の最大波長の２分の１よりも長い距離だけ、互いに離れている。
【０１２８】
図１４ａ及び図１４ｂを参照すると、Ｓは、追跡しようとしている指の領域を示し、Ｅは、関心対象ではない領域、又は追跡者に混同させるのに十分なエネルギーを反射しない領域を示し、Ｓ’は、追跡者を混同させる可能性がある手の領域であって、エコーに対するその影響が回避されるべき領域を示す。予め決められた動作ゾーン内において、Ｓ内の任意の点からのエコーの伝搬時間がＳ’内の任意の点からのエコーの伝搬時間未満になる少なくとも一対のトランスデューサが常に存在するように、複数のトランスデューサは配置される。言い換えると、送信機、物体及び受信機の間の伝搬時間（times-of-flight：ＴＯＦ）は、少なくとも一対の送信機及び受信機に関して、Ｓ内において最長のＴＯＦを有する点がＳ’内の任意の点に係る最短のＴＯＦよりも短いＴＯＦを有するようにされる、と述べることができる。
【０１２９】
このことを超音波システムにおいて解析的に表すとき、ｔ（Ｓ，ｉ）は、ｉ番目のチャネルを介して送信され、最長の伝搬時間をもたらすＳ内の点によって反射され、受信される信号の伝搬時間を示すものとし、すなわち次式で表される。
【０１３０】
【数２】
0005615270.tif 000003
【０１３１】
ここで、ｃは、音速であり、（ｒｉ，ｑｉ）はそれぞれ、ｉ番目の組の送信機及び受信機のペアに係る送信機の位置及び受信機の位置を示す。この値は、追跡する指のゾーンＳ内に存在するすべての点ｐにわたる最大値をとる。さらに、ｔ（Ｓ’，ｉ）は、ｉ番目のチャネルを介して送信され、最短の伝搬時間をもたらすＳ’内の点によって反射され、受信される信号の伝搬時間を示すものとし、すなわち次式で表される。
【０１３２】
【数３】
0005615270.tif 000004
【０１３３】
送信機及び受信機の位置が次式を満たすことが要件である。
【０１３４】
【数４】
0005615270.tif 000005
【０１３５】
ここで、Ｎは、チャネル数、すなわち送信機及び受信機のペアの組の個数であり、Ｉは、式が真であることを示す定義関数（すなわち、Ｉ（２＞１）＝１であるのに対して、Ｉ（１＞２）＝０）である。関係式（＊）は、Ｄが空間内の動作ゾーンであるとき、すべてのＳ⊂Ｄに対して成り立たなければならない。３次元において追跡する場合、式の右辺の数は３にならなければならない。この状況は、送信機及び受信機のペア（ｒｉ，ｑｉ）、動作ゾーンＤ、追跡される指のゾーンＳ、干渉する手のゾーンＳ’、及び、関心対象ではないか又は強いエネルギーを反射しないゾーンＥを示す図１４ｂを参照することで、よりよく理解することができる。Ｅが強いエネルギーを反射しないかもしれない理由は、連続点の拡散する効果と、超音波の送信及び受信からもたらされる固有の高域通過フィルタリングとの組み合わせに起因する可能性がある。
【０１３６】
前述の式（＊）は、理想的な無限帯域幅の場合には真である。帯域が制限されたシステムの場合には、距離ｔ（Ｓ，ｉ）及びｔ（Ｓ’，ｉ）が、これらを分離するシステムの帯域幅に関して十分に離れていなければならないということが要件である。これが意味するところは、少なくとも一対のチャネル（２次元の追跡の場合）又は３つのチャネル（３次元の追跡の場合）が次式を満たすべきであるということである。
【０１３７】
【数５】
0005615270.tif 000006
【０１３８】
ここで、Ｂは、システムの帯域幅であり、ｆは、システムのサンプリング周波数である。システムがサンプリング周波数に対して全帯域幅を有する場合（すなわちＢ＝１）、エコーを分離するためにエコー間に少なくとも１つのサンプリング期間が必要になる。従って、われわれは、センサ（ｒｉ，ｑｉ）を次式のように配置することを提案する。
【０１３９】
【数６】
0005615270.tif 000007
【０１４０】
２次元の追跡の場合、及び３次元以上の追跡の場合。
【０１４１】
このように、本発明の好ましいモードでは、各組のトランスデューサのペアと、指などの「追跡物体ゾーン」内の点と、手などの「干渉物ゾーン」内の点との間にわたる各伝搬時間の間に特定の関係が存在する。特に、本発明の好ましい実施形態では、予め決められたゾーン内に配置された物体を追跡するために、追跡物体ゾーン内におけるすべての点にわたる最長のＴＯＦが、干渉物ゾーン内におけるすべての点にわたる最短のＴＯＦから、少なくともシステムの帯域幅とサンプリング周波数との積の逆数に等しい距離だけ離れているように、複数のセンサは配置される。これによれば、単一のインパルス応答から、指先と手の残りの部分とを分離できることがわかっている。連続した複数のインパルス応答が使用される場合、各ＴＯＦの間のギャップを小さくしても、許容できる結果（すなわち、指の動きを手の動きから分離できること）を達成できる可能性がある。
【０１４２】
トランスデューサを注意深く配置することに加えて、又はその代替として、チャネル数を最低要件（２又は３）よりも増大させ、後の処理段で、最終的な指先の位置決定のためにどのチャネルを使用するのかを選択することによって、手及び指の混同の問題を改善可能である。チャネルのうちのどれを使用するのかを選択する多数の方法が存在する。１つの方法は、潜在的なオーバーラップの有無に関して各チャネルのインパルス応答を調べることである。他の方法は、複数のチャネルからなる異なる組み合わせにそれぞれ関連するいくつかの追跡位置候補を有し、アルゴリズムにおける後の処理段においてのみ、曲線の連続性又は予測可能性などの尺度に基づいてどのチャネル集合が適切であるかを決定することである。再び、一部のチャネルは、純粋に、又は部分的に、「存在する位置」のために使用されてもよく、これにより、システムは、どのチャネルを使用し、どのチャネルを使用しないのかを認識することができる。
【０１４３】
図６は、本発明の実施形態に係る指入力システムであって、フレーム２０４によって包囲された矩形フラットパネルディスプレイ２０２を有し、フレーム２０４において、左上のコーナーにおける左側の受信機２４２と、右上のコーナーにおける右側の受信機２４４と、ディスプレイ領域２０２の上側に沿ってディスプレイ領域の幅全体にわたる細長い送信機２４０とが設けられたシステムの正面図を示す。細長い送信機２４０は、複数の圧電ドライバ上に設けられた細長くかつ薄いフィルムを備え、複数の圧電ドライバは、細長い送信機から、その長さ全体にわたって実質的に瞬間的に超音波インパルスを放射させるように動作する。より正確な位置情報、例えばディスプレイ２０２の平面から垂直方向に離れた指の距離を取得するために、フレームの周りに追加のトランスデューサ（細長いもの又は従来のもの）が設けられてもよい。
【０１４４】
図７は、図６の実施形態の上側投影図を示す。システムを対話的に操作するユーザの手１６が示されている。ユーザの人差し指の指先１８がフレーム２０４の境界内のどこに位置していても、これから細長い送信機２４０までの最短直線は、細長い送信機に対して必ず垂直になる。このため、図１の構成の場合に比較すると、ユーザの手１６の他の部分、例えば小指２０の付け根の関節が、正確な位置決定結果を得ることの妨げとなる可能性は低くなる。
【０１４５】
図８は、本発明の実施形態に係る指入力システムであって、フレーム３０４によって包囲された矩形ディスプレイ３０２を有し、フレームの上側に沿って細長い送信機３５０及び細長い受信機３５２が設けられ、これらの両方はディスプレイ３０２の上側のエッジ部に平行に延在し、細長い送信機３５０は細長い受信機３５２よりもディスプレイ３０２からわずかに遠い位置に延在しているシステムの正面図である。同様に、フレーム３０４の左側のエッジ部に別の細長い送信機３５６及び細長い受信機３５４が設けられ、ディスプレイの左側のエッジ部に平行に延在ている。細長いトランスデューサのそれぞれは、それに隣接したディスプレイのエッジ部の長さ全体にわたる。破線は、各細長い送信機及びそれに隣接した細長い受信機に関して、放射されてユーザの人差し指の指先１８を経由して逆方向に反射される、最短伝搬時間の経路を通る２つの超音波インパルスの伝搬を示す。
【０１４６】
ユーザの指先１８がディスプレイ３０２の面上のどこに位置しているときであっても、また、ディスプレイに実質的に垂直な方向にどこをポインティングしているときであっても、２つの最短の反射インパルス経路は、各細長い送信機及びそれに隣接した受信機に対して必ず垂直になるので、定数ファクタにより尺度を変更する必要があるだけで、２つの各経路の伝搬時間測定値から直接的にｘ座標及びｙ座標を得ることができる。楕円の交点に関する計算は必要とされず、従って、指先１８の位置を決定するために信号を処理する計算の複雑さは大幅に低下する。この実施形態は、ディスプレイ３０２の平面に存在している、すなわち接触している指先１８の正確な位置決定をもたらす。このことは、スクリーンに近接した「死角」を有する可能性がある光学システムに対する重要な利点である。しかしながら、一方、指先１８がディスプレイの面に近接しているが接触していない場合にも、許容できる精度を達成することができる。指が接触しているか否かにかかわらず動作可能なこの柔軟性は、もう１つの大きな利点である。物体がディスプレイの面に接触していないか又はほとんど接触していない場合において、指先を含む物体からのカーソルの運動を除去するために、容量性の検出システム（これは、画面の一部として一体化可能であるという利点を有する）や、赤外線光シートなどの、ディスプレイの面に対して近接していることを検出する別個の機構が使用されてもよい。カーソルの移動は、この機構がトリガーされたときにのみ許可されてもよい。それに代わって、又はそれに加えて、フレーム３０４上に別のトランスデューサが設けられてもよい。
【０１４７】
図９は、本発明の実施形態に係る物体位置決定システムであって、前述の図面に示したようなフラットパネルディスプレイを包囲するフレームを設けることが適したシステムの部分を示す。これは、中央の送信機４６０の両側に設けられた、左側の送信機４６２と右側の送信機４６４とを示す。互いに不規則な間隔を有して開けられた複数の孔４６８を有する実質的に平坦な板を備えた散乱構造物４６６が送信機の直前に設けられる。中央の送信機４６０によって音響インパルスが放射されたとき、それは複数の孔４６８を通過し、複数の孔４６８のそれぞれは実質的に点放射源として機能して、半球状に放射する。孔４６８を通過する音響波は、互いに強め合うように干渉して音波の強度が相対的に強い領域を生成するとともに、互いに弱め合うように干渉して音波の強度が相対的に弱い領域を生成する。
【０１４８】
これらの組み合わされた効果は、方向により複雑なパターンの変動を有する、送信機からの出力信号を生成することにある。適切な逆関数を適用することにより、対応する受信機は、特定の信号が物体により反射される前に物体へ入射したときの方向の決定又は推定を行うことができる。これは、物体の位置決定及び物体の運動の追跡を支援する際に価値ある情報であり、これにより、例えば、正確な位置決定のために必要とされる送信機及び受信機のペアの組の個数を削減することができる。
【０１４９】
ここで、方向関数の逆関数をどのように適用するのかということについてさらに詳細に説明する。図１５は、システムを送信機として概略的に示す図であって、この送信機から音波がさまざまな方向に伝搬するが、各方向に事実上異なるフィルタが適用される場合を示す図である。例えば、ベクトルΘ１＝（φ１，θ１）によって表される方向において、この伝搬方向に沿って受信機によって受信される信号は、次式によって表すことができる。
【０１５０】
【数７】
0005615270.tif 000008
【０１５１】
ここで、「＊」は、線形畳み込み演算子を示し、τは、送信機と受信機おｔの間の距離に依存する遅延パラメータである。ｂ（Θ１，ｔ）は、伝搬方向における信号の畳み込みを表すフィルタである。音波が最初の散乱物に当たって反射し、その後に受信機によって受信されたとき、受信された信号はさらに変更されて次式になる。
【０１５２】
【数８】
0005615270.tif 000009
【０１５３】
ここで、ｓ１（ｔ）は、一方のトランスデューサから伝搬し、物体に当たって反射し、他方のトランスデューサによって受信されるときの、散乱物のエコーインパルス応答又は「フィルタリング効果」を定義する。この式では、−τの項は、都合よくｓ１（ｔ）にモデル化することができるので除去されている。この場合、すべての組のトランスデューサのペアに関して、「見られる」多数の散乱物が存在し、従って次式が得られる。
【０１５４】
【数９】
0005615270.tif 000010
【０１５５】
ここで、ｙ（ｔ）の項は、ｘ（ｔ）を送信し、ｘ（ｔ）が固有のインパルス応答をそれぞれ有する多数の散乱物に当たって反射されたときのエコー効果の総和を示す。連続である場合の近似として、すべての可能な角度からなる集合は、この連続性を表すＮ個の異なる角度からなる離散部分集合に分割される。しかしながら、多くの方向においてエコーは存在せず、このため、式をさらに簡単化することができる。Ｓは、エコーが存在する方向からなる集合を示すものとする。これらは、都合のよいことには、複数の方向からなる集合の全体にわたって最初のスキャンを行うことによって、又は物体の位置に関する事前の知識を用いることによって、ほぼ発見可能である。ここで次式が得られる。
【０１５６】
【数１０】
0005615270.tif 000011
【０１５７】
望まれるものは、一部の方向を他の方向から分離できるフィルタを作成することである。次式を満たすフィルタが必要とされる。
【０１５８】
【数１１】
0005615270.tif 000012
【０１５９】
言い換えると、このフィルタは、出力信号ｘ（ｔ）によって畳み込みされた、ｋ番目の方向に沿って存在する散乱物のインパルス応答を復元する。理想的には、このフィルタは、信号ｘ（ｔ）が何であっても適用可能であるべきである。本来、ｘ（ｔ）が既知である場合には、これは、より優れたフィルタを設計するために使用可能であるが、ここで考慮されている場合では、時系列ｘ（ｔ）任意の値からなる集合の値をとることができる。関心対象であるのはインパルス応答ｓｋ（ｔ）であるので、都合のよいことには、ｘ（ｔ）はディラックのデルタ関数又はｓｉｎｃ関数であると仮定することができる。ここで、ｓｉｎｃ関数は、ｘ（ｔ）の帯域幅が制限されている実際の状況での、帯域幅について制限されたディラックデルタである。ｘ（ｔ）がディラック信号ではない場合であっても、上述の式におけるｘ（ｔ）の影響は、ｘ（−ｔ）で相互相関を計算することによって（ｘ（ｔ）が白色である場合）、又は、逆行列の原理による信号の逆演算によって、除去することができる。くだけた言い方をするお、このことは、式の両辺からｘ（ｔ）を「相殺」する効果を有する。ここで次式が得られる。
【０１６０】
【数１２】
0005615270.tif 000013
【０１６１】
簡単な例として、３方向のみから有意な反射がされていると仮定する。表記上の簡単化のためにｂ（Θ１，ｔ）＝ｂｉ（ｔ）として、次式を得る。
【０１６２】
【数１３】
0005615270.tif 000014
【０１６３】
望まれるものは、ｋ番目のフィルタｂｋ（ｔ）で畳み込みをしたときにディラックデルタフィルタ∂（ｔ）を生成し、他のフィルタで畳み込みをしたときにそのすべての関連部分でゼロに近い信号をもたらすようなフィルタｆｋを発見することである。例えば、ｆ１は、理想的には次式のように設計されるべきである。
【０１６４】
【数１４】
0005615270.tif 000015
【０１６５】
これは、すなわち、「第１」の方向に存在する物体からのインパルス応答である。本質的には、望まれるものは次式で表される。
【０１６６】
【数１５】
0005615270.tif 000016
【０１６７】
ここで、０は、ゼロを要素とする時系列を示す。実際には、これは達成不可能であるが、以下のように近似的に実現可能である。当該技術において公知であるように、畳み込みは、行列形式で表すことができる。例えば、畳み込みｆ（ｔ）＊ｂ（ｔ）＝ｂ（ｔ）＊ｆ（ｔ）は、行列／ベクトルの積Ｂｆとして表すことができ、ここで、Ｂは、畳み込み関数Ｂを表すＮ×Ｋのテプリッツ行列であり、ｆは、信号ｆ（ｔ）のＫ個のフィルタタップを含む長さＫのベクトルである。Ｎは、Ｋとフィルタｂ（ｔ）の長さとの和から１をひいたものに等しい。この原理を用いて得られる１組の行列方程式は、次式で表される。
【０１６８】
【数１６】
0005615270.tif 000017
【０１６９】
ここで、ｄは、中央の要素以外はすべてゼロであるＮベクトルであり、従ってディラックのデルタ関数を表すベクトルであり、０は、ゼロの要素のみを有するＮベクトルである。ブロック行列の形式では、上述の式は次式になる。
【０１７０】
【数１７】
0005615270.tif 000018
【０１７１】
フィルタｆ１は、左辺のブロック行列の擬似逆行列又は正則化された逆行列と右辺のベクトルとを乗算することで計算可能である。明らかに、ディラック関数であるようにｄを構成することは常に理想的であるわけではない。実際の場合には、チャネルの帯域幅は制限され、帯域幅について制限されたディラックデルタ、すなわちカーディナルサイン又はｓｉｎｃ関数に適合するようにｄを選択するほうがよい。実際には、どの程度良好にフィルタｆ１がフィルタｂ２及びｂ３からの信号成分を抑圧するのかということと、ｂ１と整合しているときにどの程度良好にディラックデルタ又はｓｉｎｃに適合するのかということとの間にもトレードオフが存在する。ここでは、ディラックデルタ又はｓｉｎｃ型関数の波形をひきかえにしてｂ２及びｂ３の影響を抑圧することのみに集中した変形など、トレードオフのある多数の方式を想定することができる。他のさまざまな折衷案を考えることもでき、例えば、散乱物が存在しないと予めわかっている一部の方向における抑圧をひきかえにして、重要な散乱物が位置していることが既知であるか又は仮定されている他の方向における抑圧を行ってもよい。一部の場合では、ディラックのデルタ信号ではなく、より広いインパルス応答又は広い線を表すインパルス応答などのような特定の波形の信号が本発明の目標になり、これにより粗い分解能の位置決定が簡単化され、又は、「立ち上がりエッジ検出」を簡単化するために、エッジを表すインパルス応答を用いてもよい。
【０１７２】
ただ１つの散乱物が１つの方向に存在するか、又は複数のトランスデューサの指向性インパルス応答特性が同じである複数の方向からなる平面に存在する状況では、逆フィルタの処理は、その平面から受信される信号に「焦点を合わせる」ことを支援する。この「指向性フィルタの逆演算」に加えて、「機械的フィルタの逆演算」をさらに適用して機械的又は電気的な影響に起因する反射を補償することもできる。機械的又は電気的な影響に起因する反射を補償することは、トランスデューサの指向性の影響を補償することとは異なる。
【０１７３】
前述した方法は逆フィルタを推定する直接的な方法を提案するが、多数の変形を想定することができる。例えば、フィルタは、出力信号ｘ（ｔ）についての知識に基づいてさらに改良することができる。どこに散乱物が存在すると考えられているかということについての事前の知識を考慮することもでき、この場合、散乱物があると期待される伝搬方向に強い周波数成分を有する信号を送信するようにｘ（ｔ）を変更すること、又は逆に、「干渉する」散乱物があると期待される方向に周波数成分を持たない信号を放射することが可能である。フィルタは、周波数領域で導出することも時間領域で実装することも同様に可能であり、周波数領域では、さまざまな周波数にさまざまな重み付け係数を用い、時間領域では、さまざまな方向のエコーのフィルタリングを「逆マッピング」する目的を果たす一般形式の逆行列、すなわち必ずしもテプリッツ行列ではない行列として実装可能である。フィルタリングは、信号の包絡線に対して実行することも可能であり、連続した複数の周波数帯に対して実行することさえ可能である。特に、複数の物体が一部の周波数サブバンドにおいて同様の又は等しい反射能力を有する場合、これは、システムのクロスレンジ分解能を増大させるために使用可能である。
【０１７４】
図１０は、本発明の実施形態に係る物体位置決定システムであって、前述の図面に示したようなフラットパネルディスプレイを包囲するフレームを設けることが適したシステムの部分を示す。これは、中央の送信機５６０の両側に設けられた、左側の送信機５６２と右側の送信機５６４とを示す。送信機の直前に散乱構造物５６６が設けられ、散乱構造物５６６は、ほぼ球形かつ中空の、互いに近接して充填された複数の散乱構成要素５７０を備え、各構成要素は後開口部（図示せず）と前開口部５７２とをそれぞれ有し、前開口部５７２は、超音波の単なる点波源として機能することがないように十分に大きい。これら２つの開口部により、音波は構成要素を通過できるようになる。中央の送信機５６０からのインパルスが散乱構成要素を通過するとき、各散乱構成要素５７０は音波を特定の方向に強めて、この最終的な効果として、散乱構成要素によって全体として放射される音波は、異なる方向では強度及び／又は位相について変化するものであり、これは周波数に依存する、すなわち「ブロードバンドシグニチャ」である。それに加えて、各散乱構成要素５７０によって放射される波の間に干渉が発生し、これはさらに指向性の変動を追加する。
【０１７５】
図１１は、本発明の実施形態に係る指入力追跡システムの上面図を示す。これはディスプレイ画面フレーム６０４を備え、それの前方に面した上側のエッジ部には、中央の送信機６６０、左側の受信機６６２、及び右側の受信機６６４が設けられる。中央の送信機６６０は、水平方向では、その奥行きよりも実質的に長く、２つの受信機６６２及び６６４のいずれよりも相対的に長い。中央の送信機６６０の前に散乱構成要素６７４が設けられる。これは、実質的に音波に対して多孔性の媒体を備え、この媒体の中には、実質的に音波を反射する媒体からなり、互いに不規則な間隔を有する複数の反射球６７６が埋め込まれている。それに代わって、送信機６６０及び散乱構成要素６７４の両方がフレーム６０４の凹部に設けられてもよく、これによりフレーム６０４の平坦な前面を維持することができる。
【０１７６】
動作時には、中央の送信機６６０からの音波は、散乱構成要素６６０を通過するときに反射球６７６間で当たって反射し、これにより、音波が散乱構成要素６７４の前面又は側面から最終的に放射されるときの方向に依存して、経路長が変化し、従って位相も変化し、また、強度も変化する。
【０１７７】
散乱構成要素を備えた実施形態、すなわち図９、図１０、及び図１１の実施形態のそれぞれに関して、送信機の前に配置される散乱構成要素に代えて、又はそれに加えて、１つ以上の受信機の前に同様に散乱構成要素を配置してもよい。指先などの物体の位置を決定する際におけるこれらの実施形態のそれぞれに係る動作は同様であり、送信機からインパルスが放射され、関心対象の物体からのエコーが受信機において受信される。物体の位置に関する情報を取得するために従来の伝搬時間を計算することに加えて、散乱構成要素によって精製されたインパルスの指向性の「色づけ」も使用される。予め、モデル化及び経験的方法のいずれかにより、散乱構成要素の指向性の影響の少なくとも一部が決定され、この決定された情報は逆演算されて、前述のように受信エコー信号に適用される。特に、音波に対する反射率など、物体の音響特性が既知である場合、又は以前のインパルス応答から推測可能である場合には、送信されたインパルスの方向特異的な特性から、物体の位置に関する追加の情報を取得することができる。これは、望ましくない方向からの信号をフィルタリングして除去するために使用可能である。これは、画面の前方からはずれた信号源からのものである可能性があり、また、例えば、他の指又は手の部分からのものである可能性もある。
【０１７８】
図１２は、本発明の実施形態に係るテーブル上追跡システムの平面図を示す。この実施形態はディスプレイ画面を備えていないが、テーブルなどの面上、又はその上方における運動を追跡することに適している。これは、例えば、ラップトップコンピュータのタッチパッドを用いたときに行われるものと同様の指の運動を追跡するために使用可能である。本装置は中実のボックス７８０を備え、このボックス７８０を通るように、３つの非円筒形状の管状の空隙７８０が設けられる。ボックスの後部に音響送信機７６０が設けられ、送信機の両側に２つの音響受信機７６２及び７６４が設けられる。送信機及び受信機はそれぞれ、３つの管状の空隙７８０のいずれかの方向に向かうように配置される。複数の球形の反射物７８２が、特に管状の空隙７８０のうちの１つに突出するように、ボックスの体積７７８の中に埋め込まれる。管状の空隙７８０は、ボックス７７８の前面に開口７８４を有し、これにより音波は空隙に進入するとともに、空隙から放射することができるようになる。
【０１７９】
使用時には、中央の送信機７６０から音響信号が放射される。この信号は、空隙７８０を通過してボックス７７８の前側の開口に至る。開口は必ずしも点状の開口ではないので、音波は、指向性を有して合焦されてもよく、また、空隙の非円筒形状の性質に起因して、ボックス７７８の前側から放射されるときに異なる方向では異なる位相及び強度を有するものになる。さらに、孔自体が円筒形状である状況であっても、出口の間隔と、その後の放射される波の合成とにより、指向性の効果がもたらされるが、このことは、単一の孔ではなく複数の孔が存在することで、点状ではないトランスデューサであって、従って所定の指向性特性を有する全体的なトランスデューサを生成するという事実に起因する。球状の反射物７８２はさらに、音波の指向性特性に寄与し、また、空隙７８０の滑らかな表面から生じるはずであった低域通過フィルタリングの影響を防止する。それに加えて、複数の出口を用いることにより、１つ以上のもっと大きな内部トランスデューサを使用できるようになり、大きな内部トランスデューサは、面上に設けられるトランスデューサではより典型的であるもっと小さなトランスデューサ素子よりも、多くの合計エネルギーを送ることがでる。トランスデューサから各出口までの距離が同じである場合、これば「位相プラグ」を用いることに対応し、距離が同じでない状況では、一様でない波先が生成され、これはトランスデューサの指向性ダイバーシティを増大させる。
【０１８０】
受信機７６２及び７６４に接続された空隙７８０も、ボックス７７８に進入する音波に対して同様の効果を有し、このことが実際に成り立つことは、波動方程式の相反性に注目することによって理解できる（ただし、雑音特性は変化する可能性がある）。従って、使用時には、音波がボックス７７８から追跡対象の物体に放射されるときと、音波が物体から反射されて受信されるときとの両方において、音波に指向性の「色づけ」が適用される。この指向性の効果についての知識を、伝搬時間に関する情報と組み合わせて、従来の音響送信機及び一対の受信機のみを用いて可能であったものよりも正確な物体位置決定を行うことができる。
【０１８１】
都合のよいことには、前述のような実施形態を装置の筐体に組み込み、それをユーザに操作させることができる。例えば、信号のアクセスを可能にするために１つ又は少数の小さな開口を設けるだけで、電子装置の本体にトランスデューサを効果的に埋め込むことができる。限定するものではない１つの実施例を参照し、ソニーによって製造されたＬＣＤフォトディスプレイ「エスフレームＤＰＦ−Ｖ９００」について検討する。このような製品を非接触で操作するためには、以前は、画面の周囲に１組のセンサを設けておくことが必要であり、センサに含まれる送信機は受信機よりも大きくなる場合が多く、このため設計に影響を与える。しかしながら、本明細書で前述した本発明の実施形態によれば、送信されたエネルギーの入口及び出口は、都合のよいことには、フレームの下方に配置することができる。フレームは面上に立っているときにわずかに傾けられているので、信号がこれらの孔から出入りするための十分な空間をなお確保しながら、変更は実際上、ほとんどのユーザにとって目につくことはない。このアイデアは図１６に示され、（１６０１）は、トランスデューサの出口、又はトランスデューサ自体を示し、（１６０２）は、限定するものではない例として、細長いトランスデューサの出口、又はそれに代わって、トランスデューサ自体を示す。
【０１８２】
本発明のこのような構成に係る他の利点は、少数のトランスデューサのみを用いて、装置に対して複数の異なるゾーンで追跡するために使用可能な複数の音波の出口及び入口を設ける余地を容易に確保することである。例えば、携帯電話機又はＰＤＡのようなモバイル装置は、複数の出口及び入口をとともに、カバーの内側に設けられた１つ以上のトランスデューサを有することができる。モバイル装置の前方において追跡するために１組の出口及び入口を使用可能であるが、このことは、ブラウジング中にモバイル装置を片手で保持している際に有用である。電話機の側面又は下方に、同じ１組のトランスデューサに係る他の１組の出口及び入口を設けてもよく、これにより、モバイル装置がテーブルなどの面上に配置されたときにモバイル装置の側方で追跡できるようになる。この概念は図２０に示され、（２００１）は、装置内のトランスデューサを示し、（２００２）は、２つの出口を示す。図１９は、モバイル画面（１９０３）の背後に設けられ、（１９０１）などの複数の出口を有する、より大きなトランスデューサ（１９０２）を用いることで、どのようにコストを削減することができ、設計過程を簡単化することができるのかを示す。より大きなトランスデューサは、典型的には製造が容易になり、より小さなトランスデューサよりも多くのエネルギーを出力可能である。このようなトランスデューサの多目的の使用により、システム全体のコスト及び複雑さを大幅に低下させることができる。
【０１８３】
図２２は、画面の反対側に設けられた送信機２００２及び受信機２００１を備えた画面を示す図である。これは、スクリーンを交差して定義されたチャネルを用いることを可能にし、これは、追跡の目的で画面に対して指２００３の位置を決定する際の手及び指の混同の問題を解消することに特に有効であることがわかっている。
【０１８４】
本明細書で開示された本発明のさまざまな実施形態に係る特徴は、いかなる方法でも組み合わせ可能である。限定するものではない例として、指向性及びトランスデューサの逆フィルタの使用をその配置と組み合わせて、例えば、指及び手からのエコーの間のオーバーラップを回避することができる。トランスデューサに対する指及び手の位置決定のうちの一部の場合では、このようなオーバーラップは完全に回避可能であるが、他の場合では、手のエコーから指のエコーを分離するために、指向性とその後における信号の逆フィルタリングを使用可能である。さらに、本発明のこれら両方のモードは、それら自体が非接触対話的操作を改善することに加えて、又は互いに組み合わせて、追跡対象の物体に係る正確な位置決定、追跡、及び形状認識を行うために２次的な位置決定情報源を必要とする可能性がある他の非接触対話的操作システム、例えばカメラシステム又は投影光システムを支援するために使用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0005615270.tif 000023
【図６】
0005615270.tif 000024
【図７】
0005615270.tif 000025
【図８】
0005615270.tif 000026
【図９】
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【図１０】
0005615270.tif 000028
【図１１】
0005615270.tif 000029
【図１２】
0005615270.tif 000030
【図１３ａ】
0005615270.tif 000031
【図１３ｂ】
0005615270.tif 000032
【図１４ａ】
0005615270.tif 000033
【図１４ｂ】
0005615270.tif 000034
【図１５】
0005615270.tif 000035
【図１６】
0005615270.tif 000036
【図１７】
0005615270.tif 000037
【図１８】
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【図１９】
0005615270.tif 000039
【図２０】
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【図２１】
0005615270.tif 000041
【図２２】
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